Nya studier av professor Nikhil Koratkar visar att grafen överträffar kolnanorör och andra nanopartiklar för att öka styrkan och den mekaniska prestandan hos epoxikompositer. På bilden är grafenblodplättar som Koratkars forskargrupp extraherat från bulkgrafit.
(PhysOrg.com) -- Tre nya studier från forskare vid Rensselaer Polytechnic Institute illustrerar varför grafen bör vara det valda nanomaterialet för att stärka kompositmaterial som används i allt från vindturbiner till flygplansvingar.
Kompositer infunderade med grafen är starkare, styvare, och mindre benägna att misslyckas än kompositer infunderade med kolnanorör eller andra nanopartiklar, enligt studierna. Detta betyder grafen, ett atomtjockt ark av kolatomer arrangerade som ett kedjelänksstängsel i nanoskala, kan vara en nyckelfaktor i utvecklingen av nästa generations nanokompositmaterial.
"Jag har arbetat med nanokompositer i 10 år, och grafen är det bästa jag någonsin sett när det gäller mekaniska egenskaper, sade Nikhil Koratkar, professor vid institutionen för mekanik, Aerospace, och kärnteknik på Rensselaer, som ledde studierna. "Grafen är vida överlägset kolnanorör eller något annat känt nanofyllmedel när det gäller att överföra sin exceptionella styrka och mekaniska egenskaper till ett värdmaterial."
Resultaten av Koratkars studier beskrivs i tre nyligen publicerade artiklar:"Fracture and Fatigue in Graphene Nanocomposites, ” publicerad i Små ; "Förbättrade mekaniska egenskaper hos nanokompositer vid lågt grafeninnehåll, ” publicerad i ACS Nano ; och "Buckling resistenta grafen nanokompositer, " publicerad i tidskriften Bokstäver i tillämpad fysik.
Avancerade kompositer är alltmer en nyckelkomponent i utformningen av nya väderkvarnblad, flygplan, och andra applikationer som kräver ultralätt, höghållfasta material. Epoxikompositmaterial är extremt lätta, men kan vara spröd och benägen att spricka. Koratkars team har infunderat de avancerade kompositerna med stackar, eller blodplättar, av grafen. Varje stack är bara några nanometer tjock. Forskargruppen infunderade också epoxikompositer med kolnanorör.
Epoximaterial infunderade med grafen uppvisade mycket överlägsen prestanda. Faktiskt, tillsats av grafen lika med 0,1 procent av vikten av kompositen ökade styrkan och styvheten hos materialet i samma grad som att lägga till kolnanorör lika med 1 procent av vikten av kompositen. Denna vinst, på måttet en storleksordning, lyfter fram löftet om grafen, sa Koratkar. Grafenfyllmedlen ökade också kompositens motståndskraft mot utmattningssprickförökning med nästan två storleksordningar, jämfört med baslinjens epoximaterial.
Även om nanorör av grafen och kol är nästan identiska i sin kemiska sammansättning och mekaniska egenskaper, grafen är mycket bättre än kolnanorör på att ge sina egenskaper till ett material som det är blandat med.
"Nanorör är otroligt starka, men de är till liten nytta mekaniskt om de inte överför sina egenskaper till kompositen, sa Koratkar. "En kedja är bara så stark som dess svagaste länk, och om den länken är mellan nanoröret och polymeren, då är det det som avgör de övergripande mekaniska egenskaperna. Det spelar ingen roll om nanorören är superstarka eller superstyva, om gränsytan med polymeren är svag, det gränssnittet kommer att misslyckas."
Koratkar sa att grafen har tre distinkta fördelar jämfört med kolnanorör. Den första fördelen är den grova och skrynkliga ytstrukturen hos grafen, orsakas av en mycket hög täthet av ytdefekter. Dessa defekter är ett resultat av den termiska exfolieringsprocess som Rensselaers forskargrupp använde för att tillverka bulkkvantiteter av grafen från grafit. Dessa "rynkiga" ytor låser sig extremt väl med det omgivande polymermaterialet, hjälper till att öka gränsytans lastöverföring mellan grafen och värdmaterialet.
Den andra fördelen är ytan. Som hyvelplåt, grafen drar nytta av betydligt mer kontakt med polymermaterialet än de rörformade kolnanorören. Detta beror på att polymerkedjorna inte kan komma in i nanorörens inre, men både över- och underytan av grafenarket kan vara i nära kontakt med polymermatrisen.
Den tredje fördelen är geometri. När mikrosprickor i den sammansatta strukturen möter ett tvådimensionellt grafenark, de är avböjda, eller tvingas luta och vrida runt arket. Denna process hjälper till att absorbera energin som är ansvarig för spridningen av sprickan. Sprickavböjningsprocesser är mycket mer effektiva för tvådimensionella ark med ett högt bildförhållande som grafen, jämfört med endimensionella nanorör.
Koratkar sa att flyg- och vindkraftsindustrin letar efter nya material för att designa starkare, längre livslängd rotor- och vindturbinblad. Hans forskargrupp planerar att ytterligare undersöka hur grafen kan gynna detta mål. Grafen är mycket lovande för detta eftersom det kan tillverkas av grafit, som är tillgänglig i bulkkvantiteter och till relativt låg kostnad, han sa, vilket innebär att massproduktion av grafen sannolikt kommer att vara mycket mer kostnadseffektiv än nanorör.
Medförfattare till de tre uppsatserna inkluderar Rensselaers maskinteknikstudenter Mohammed A. Rafiee, Javad Rafiee, och Iti Srivastava; som tillsammans med professor Zhong-Zhen Yus grupp vid Beijing University of Chemical Technology.
