Forskare har skapat en epoxi-grafenskumblandning som är tuff och ledande utan att tillföra betydande vikt. Kredit:Rouzbeh Shahsavari Group
Rice University forskare har byggt en bättre epoxi för elektroniska applikationer.
Epoxi i kombination med "ultrastiff" grafenskum som uppfanns i kemisten James Tours rislabb är avsevärt tuffare än ren epoxi och mycket mer ledande än andra epoxikompositer samtidigt som materialets låga densitet bibehålls. Det kan förbättra epoximaterial vid nuvarande användning som försvagar materialets struktur med tillsats av ledande fyllmedel.
Det nya materialet beskrivs i tidskriften American Chemical Society ACS Nano .
Av sig själv, epoxi är en isolator, och används ofta i beläggningar, lim, elektronik, industriella verktyg och strukturella kompositer. Metall- eller kolfyllmedel tillsätts ofta för applikationer där ledningsförmåga önskas, som elektromagnetisk skärmning.
Men det finns en kompromiss:mer fyllmedel ger bättre ledningsförmåga till priset av vikt och tryckhållfasthet, och kompositen blir svårare att bearbeta.
Rislösningen ersätter metall- eller kolpulver med ett tredimensionellt skum tillverkat av nanoskala ark av grafen, den atomtjocka formen av kol.
Tour-labbet, i samarbete med rismaterialforskarna Pulickel Ajayan, Rouzbeh Shahsavari och Jun Lou och Yan Zhao från Beihang University i Peking, tog sin inspiration från projekt för att injicera epoxi i 3D-ställningar inklusive grafenaerogeler, skum och skelett från olika processer.
En konstnärs återgivning av en ställning av grafenskum, som skapats på Rice, som kan infunderas med epoxi för en stark, ljus och ledande förening. Kredit:Rouzbeh Shahsavari Group
Det nya schemat gör mycket starkare ställningar av polyakrylnitril (PAN), ett pulveriserat polymerharts som de använder som kolkälla, blandat med nickelpulver. I fyrastegsprocessen, de kallpressar materialen för att göra dem täta, värm dem i en ugn för att förvandla PAN till grafen, kemiskt behandla det resulterande materialet för att ta bort nickel och använd ett vakuum för att dra in epoxin i det nu porösa materialet.
"Grafenskummet är ett enda stycke fålagers grafen, " sade Tour. "Därför, i verkligheten, hela skummet är en stor molekyl. När epoxin infiltrerar skummet och sedan hårdnar, varje böjning av epoxin på ett ställe kommer att belasta monoliten på många andra platser på grund av de inbäddade grafenställningarna. Detta förstärker i slutändan hela strukturen."
De puckformade kompositerna med 32 procent skum var marginellt tätare, men hade en elektrisk ledningsförmåga på cirka 14 Siemens (ett mått på ledningsförmåga, eller omvänd ohm) per centimeter, enligt forskarna. Skummet tillförde ingen nämnvärd vikt till föreningen, men gav den sju gånger så hög tryckhållfasthet som ren epoxi.
Enkel sammankoppling mellan grafen och epoxi hjälpte till att stabilisera strukturen av grafen också. "När epoxin infiltrerar grafenskummet och sedan hårdnar, epoxin fångas i mikronstora domäner av grafenskummet, " sa Tour.
Laboratoriet ökade satsningen genom att blanda flerväggiga kolnanorör i grafenskummet. Nanorören fungerade som förstärkningsstänger som band med grafenen och gjorde kompositen 1, 732 procent styvare än ren epoxi och nästan tre gånger så ledande, med cirka 41 Siemens per centimeter, mycket större än nästan alla ställningsbaserade epoxikompositer som hittills rapporterats, enligt forskarna.
Forskare vid Rice ledde arbetet med att utveckla materialet som, i kombination med kolnanorör, är mer än 1, 700 procent styvare än ren epoxi. Kredit:Rouzbeh Shahsavari Group
Tour förväntar sig att processen kommer att skala för industrin. "Man behöver bara en ugn som är tillräckligt stor för att producera den ultimata delen, "Men det gör man hela tiden för att göra stora metalldelar genom att kallpressa och sedan värma dem."
Han sa att materialet initialt kunde ersätta de kolkomposithartser som används för att förimpregnera och förstärka tyger som används i material från rymdstrukturer till tennisracketar.
