Förra vintern, MIT-forskare upptäckte att en fenol-formaldehydpolymer omvandlad till ett glasartat kolmaterial i en process som liknar bakning når sin bästa kombination av hög hållfasthet och låg densitet vid 1, 000 grader Celsius (1, 832 grader Fahrenheit). Nu har de bestämt att de kan uppnå en liknande glasartad förvandling, men vid en mer industriellt tillgänglig temperatur på 800 C genom att lägga till en liten del av kolnanorör till detta material.

Som utgångspolymerkolväte, känd som en fenol-formaldehyd polymerharts, värms upp från 600 C, storleken på dess kristalliter växer tills den når en platå vid 1, 000 C. Postdoc Itai Y. Stein säger att vetenskaplig litteratur visar att denna platå håller till långt över 2, 000 C. Tillsatsen av 1 volymprocent av inriktade kolnanorör till utgångsmaterialet gör att det når platåkristallitens storlek vid en temperatur som är 200 C lägre.

"Vad vi visar är att genom att lägga till kolnanorör, vi når denna platåregion tidigare, ", säger Stein. Fynden rapporterades 22 augusti i Journal of Materials Science uppkopplad. Medförfattarna var Stein, tidigare Material Processing Center-Center for Materials Science and Engineering (MPC-CMSE) Summer Scholars Ashley L. Kaiser (2016) och Alexander J. Constable (2015), postdoc Luiz Acauan, och seniorförfattaren, professor i flygteknik och astronautik Brian L. Wardle. Kaiser är nu doktorand i Wardles labb.

Att förbättra tillverkningsbarheten

"Detta arbete har den intressanta upptäckten att nanostrukturer hjälper till att tillverka [och] tillverka de glasartade kolkompositerna, " säger Wardle. "Tidiga lektioner med nanomaterial visade i stort att nanostrukturer hindrar tillverkning, dock, vi hittar ett tema inom flera forskningsområden som när det kontrolleras, nanostrukturerna kan användas för att förbättra tillverkningen, någon gång betydligt. Medan nanostrukturerna – här, inriktade kolnanorör – är värdefulla som förstärkning av det glasartade kolet, de kan också användas för att förbättra tillverkningsbarheten. Ashley och Itai tar detta arbete ännu längre för att testa gränserna."

Kristalllitstorlek är starkt knuten till hårdhet, vilket är ett mått på mekanisk prestanda som hållfasthet och seghet. Det är en av de viktigaste egenskaperna hos det glasartade kolmaterialet.

"Om du tittar på hårdheten normaliserad av densiteten, vi fann tidigare att den första punkten i platåregionen är den bästa punkten, eftersom det glasartade kolmaterialet är minst tätt och hårdast, säger Stein.

Den primära upptäckten av den tidigare uppsatsen var att mer oordning i arrangemanget av kolkristalliter ledde till större hårdhet och lägre densitet i det glasartade kolmaterialet, som erhölls genom att baka en fenol-formaldehydpolymer i frånvaro av syre. Det omvandlade materialet kallas även pyrolytiskt kol eller PyC.

Även om polymeren omvandlas till ett grafitliknande material, den når aldrig den mer högordnade strukturen av grafit. Denna skillnad bekräftas av röntgendiffraktionsanalys (XRD) av prover bakade med, och utan, kolnanorör och jämfört med en standardindikator för grafit känd som Bernal staplingsordning. Typen av störning bland kristalliter här kallas turbostratisk stapling, där planen som omfattar kristalliterna roteras slumpmässigt i förhållande till varandra på grund av hål (eller vakanser) och krökning. XRD-studier utförda vid Centrum för materialvetenskap och tekniks delade experimentanläggningar validerade också kristallitstorleksutvecklingen i förhållande till bakningstemperatur.

För att föreställa dig denna störning jämfört med den perfekta hexagonala strukturen av grafen eller upprepande lagerstruktur av grafit, Stein föreslår att du tänker på en bunt med platta fyrkantiga papperslappar. Papperen staplas enkelt till en perfekt fyrkant med minimalt utrymme mellan varje ark. Men om varje papper tas ut, skrynkliga, och sedan lätt tillplattad igen, det skulle vara frustrerande att försöka ordna om arken till en snygg stapel.

Liknande störningar förekommer i molekylstrukturen hos det glasartade kolet, eftersom prekursorn fenol-formaldehydpolymer börjar med en komplicerad blandning av kolrika föreningar och bakningstemperaturen inte är tillräckligt hög för att bryta ner alla till enklare kolstrukturer. Raman-spektroskopiresultat bekräftade förekomsten av dessa defekter i kolstrukturen. En annan teknik, Fourier Transform Infraröd Spektroskopi, bekräftade närvaron av syre- och vätegrupper i kristalliterna.

"Det härstammar från den polymera prekursorn som vi använder, fenol-formaldehyden, och de har bara fastnat; de kan inte lämna, " förklarar Stein.

Forskarnas tidigare artikel visade att närvaron av dessa mer komplexa kolföreningar i materialet stärker det genom att leda till tredimensionella kopplingar som är svåra att bryta. Det nya arbetet visar att kolnanorören inte har någon effekt på dessa syre- eller vätesubstrukturer i materialet.

Stein säger att för den aktuella studien, Målet var att utforska vad som händer när kolnanorör tillsätts och bakningstemperaturen höjs; specifikt, vilken effekt, om någon, nanorören har på kristallittillväxt. De fann att nanorören påverkar kristallitbildningsprocessen på mesoskalan, som mäts i tiotals nanometer, medan allt annat förblir oförändrat. Viktigt, endast kristallitens storlek påverkas av tillsatsen av kolnanorören.

"Vi blev förvånade över att inte se någon förändring i den grafitiska naturen hos vår polymer då den bakas i närvaro av kolnanorör, " säger han. "Ändå, det är ett mycket intressant fynd eftersom vi kan sänka bearbetningstemperaturen utan att påverka strukturen hos det resulterande glasartade kolet. Eftersom egenskaperna hos det glasartade kolet beror på dess struktur, Detta fynd kan göra det möjligt för en industriell process av denna teknik att realisera betydande energibesparingar."

Snabbare strukturell utveckling

"Kolnanorören tillåter kompositens struktur att utvecklas snabbare i meso-skala, så det når sitt slutliga tillstånd vid en lägre bearbetningstemperatur, " Kaiser tillägger. "Dessa nanorör minskar också den totala vikten av materialet. Den här vägen, vi kan producera vår komposit vid en lägre temperatur samtidigt som vi minskar dess densitet och bibehåller dess utmärkta egenskaper."

Stein noterar att i det tidigare arbetet visade forskarna också att ökande bearbetningstemperatur över 1, 000 C resulterade i ett svagare material.

"Så vi sänker i huvudsak temperaturen du behöver gå för att nå de bästa egenskaperna, " säger Stein om den nya rapporten. "Om du tittar på hårdheten normaliserad av densiteten, denna [800 grader C] är den bästa punkten, eftersom det är här det glasartade kolet förväntas vara minst tätt och hårdast."

Stein säger att den lägre bearbetningstemperaturen också kan göra dessa fenoliska material mer kompatibla med metaller vars smältpunkter är under 1, 000 C, vilket i sin tur kan vara användbart för 3D-utskrift.

"Applikationen vi specifikt tänkte använda detta i är metamaterial, " säger han. "Om du kan använda nanorör för att minska temperaturen du bakar vid, om du vill omvandla det till kol, bara rent kol, då kan det göra det mer tillgängligt. Att 200 grader Celsius är en stor skillnad för många processer."

I de nya rönen, forskarna experimenterade på ett material med bara 1 procent kolnanorör i volym. De planerar att följa upp genom att studera effekten av att öka andelen kolnanorör till 20 volymprocent. "Vi vill bara se om nanorören gör det starkare, " säger Stein. De kommer också att titta på effekten på storleken och tjockleken av kristalliterna från de tillsatta kolnanorören.

Nästa generations nanostrukturer

"En hel rad strukturella kompositer skulle dra nytta av denna studie, särskilt nästa generations ultralätta nanostrukturer, " säger Piran R. Kidambi, biträdande professor i kemi- och biomolekylär teknik vid Vanderbilt University, som inte var involverad i denna forskning.

"Studien fann att inriktade kolnanorör-glasartade nanokompositer av kolmatris i meso-skala utvecklades mycket snabbare med en platå i kristallitstorlekar (ett viktigt kvalitetsmått) vid en temperatur upp till 200 grader Celsius lägre jämfört med att ha en ren glasartad kolmatris , " säger Kidambi. "Lägre temperaturer är goda nyheter för tillverkning för att minimera uppvärmningskostnaderna vid bearbetning, och nyare modeller säger oss att smala kristalliter är önskvärda eftersom de ökar glasartad kolhårdhet. Därför är en kombination av en platå i kristallitstorlekar och lägre temperaturer mycket intressant ur ett tillverkningsperspektiv. Detta är högkvalitativ forskning som använder grundläggande insikter för att informera och vägleda tillverknings-/syntesvägar för överlägsna kompositer."

Kaisers arbete som 2016 MPC-CMSE Summer Scholar utgör huvuddelen av tidningens experimentella resultat, förutom Raman-spektroskopiresultaten. "Det är ett mycket robust och fokuserat bidrag, säger Stein.

"Jag var stolt över att vara involverad i den här forskningen när jag var sommarstipendiat, " säger Kaiser. "Nu, att kunna komma tillbaka till MIT som doktorand, gå med i Wardle-gruppen igen, och publicera detta arbete är mycket spännande. Jag är ivrig att fortsätta arbeta med kompositer när jag tar min doktorsexamen här i materialvetenskap och teknik."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.