Den svaga gränssnittsinteraktionen mellan nanofillers och matrisnanokompositer under materialteknik har gjort att förstärkande effekter av nanofiller ligger långt under de teoretiskt förutsagda värdena. I en ny rapport som nu publiceras den Vetenskapens framsteg , Ningning sång, och ett team av forskare vid avdelningen för mekanisk och rymdteknik vid University of Virginia, U.S., demonstrerade grafenlindad borkarbid (B ₄ C) nanotrådar (B ₄ C-NWs@graphene). Konstruktionerna gav en exceptionell spridning av nanotrådar i matrisen och bidrog till superlativ nanotråd-matrisbindning. B ₄ C-NWs@graphene konstruerar förstärkta epoxikompositer och visade samtidig förbättring i styrka, elasticitetsmodul och duktilitet. Genom att använda grafen för att skräddarsy de sammansatta gränssnitten, Song et al. använde effektivt nanofillers för att öka lastöverföringseffektiviteten med två gånger. De använde simuleringar av molekylär dynamik för att låsa upp mekanismen för självmontering av skjuvblandning av grafen/nanowire-konstruktionen. Lågkostnadstekniken öppnar en ny väg för att utveckla starka och tuffa nanokompositer för att förbättra gränssnitten och möjliggöra effektiv överföring av hög last.

Nanofillers – nanotrådar och nanopartiklar

Nanofillers inklusive nanotrådar och nanopartiklar kan ha mycket större specifika ytareor än mikrofillers. I teorin, de erbjuder därför idealiska förstärkningar för exceptionella ledförbättringar i styrka och seghet. Dock, inom materialvetenskap och teknik, nanokompositer kvarstår för att uppfylla detta löfte på grund av den svaga gränssnittsbindningen mellan fyllmedlen och matrisen. Borkarbid (B ₄ C) är det tredje hårdaste materialet som finns i naturen, ofta hyllad för sina viktigaste fysiska och mekaniska egenskaper. Dock, när de används som förstärkningar i nanokompositer, B ₄ C nanotrådar (B ₄ C-NWs) enbart visar inte en förstärkande effekt på grund av dess svaga dispersion i matrisen och på grund av svag gränsytebindning. Som ett resultat, det är viktigt att konstruera nanokompositgränssnitt för att realisera deras fulla potential. Av de många tillvägagångssätt som finns i spel och som tidigare utforskats inom materialvetenskap och nanomaterial, Song et al. rapportera en grafengränssnittsteknik. I denna mekanism, de limmade B ₄ C-NWs med grafen för att exceptionellt förbättra styrkan och segheten hos det resulterande materialet. De konverterade de högkvalitativa grafenarken till grafit och lindade dem samtidigt på B. ₄ C-NWs via skjuvblandning för att erhålla B ₄ C-NWs@graphene-konstruktioner.

Song et al. först växte B ₄ C-NWS jämnt på ytan av en kolfiberduk genom en typisk ång-vätska-fast process, där bomull tjänade som en källa till kol, medan amorfa borpulver tjänade som en källa till bor, tillsammans med en katalysator. Laget skilde B ₄ C-NWS från substratet via ultraljudsvibrationer och studerade de kemiska bindningstillstånden i materialet med hjälp av röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) för att bekräfta produktionen av högkvalitativ B ₄ C-NWs. För att sedan direkt syntetisera och självmontera B ₄ C-NWs@graphene, Song et al. blandade grafitpulver och B ₄ C-NWs. Använd sedan transmissionselektronmikroskopi (TEM), de visade hur grafit framgångsrikt exfolierades till grafen, medan B ₄ C-NWS förblev intakt i blandningen. Under den syntetiska proceduren, grafenarken monterade samtidigt själv på B ₄ C-NWs yta. Genom att använda både högupplöst transmissionselektronmikroskopi (HRTEM) inspektion och motsvarande snabb Fourier transform (FFT) mönster, Song et al. bekräftad självmontering av grafen på B ₄ C-NWs med hög kvalitet, samtidigt som enskikts- och flerskiktsfunktioner bibehålls.

Karakterisera B ₄ C-NWs@graphene-konstruktioner

Forskarna spred B4C-NWs@graphene på epoxinanokompositer och genomförde trepunktsböjningstester på kompositerna och epoximaterialen. Jämfört med råa epoxihartsprover, B ₄ C-NWs@graphene nanokompositer genomgick en större plastisk deformation före brott. Resultaten visade hur grafen stärkte bandet mellan B ₄ C-NWs och epoximatrisen som ett gränssnittsmedel, medan en serie mekanismer som underlättade böjning gemensamt bidrog till förbättrad seghet hos B ₄ C-NWs@graphene-kompositer. På det här sättet, grafen tillät bättre spridningsförmåga för nanofillers i matrisen, ger förbättrad lastöverföring och fogförstärkning i styrka och seghet. För att bättre förstå spridningskvaliteten hos B ₄ C-NWs@graphene konstruktioner, Song et al. beräknade den teoretiska elasticitetsmodulen för kompositerna. Resultaten visade att kompositerna bibehöll exceptionell styrka och seghet jämfört med andra kompositer som rapporterats i litteraturen.

Molekylär dynamiksimuleringar

Teamet genomförde simuleringar av molekylär dynamik (MD) för att först förstå hur grafenark redigerade B. ₄ C-NW yta och hur grafen tillät spridningen av B ₄ C-NWs samt förbättrad lastöverföring i kompositerna. De utförde sedan MD-simuleringar för att testa utdragsprocessen av nanofillers från en epoximatris för att förstå vidhäftningsstyrkan mellan nanofillers och matrisen. MD-simuleringarna överensstämde med de experimentella observationerna och avslöjade detaljer om den förbättrade interaktionsbarriären för den grafenanpassade B ₄ C-NWs för att förbättra spridningsprestanda. Song et al. genomfört simuleringar för att undersöka utdragsprocessen av nanofillers från epoximatrisen och beräknat interaktionsenergin för att förstå vidhäftningsstyrkan mellan nanofillers och matrisen. B ₄ C-NWs@graphene visade högre interaktionsenergi med epoxi och större utdragbar toppkraft på grund av närvaron av grafen, vilket gjorde nanofyllaren med högre yta. Dessutom, det större antalet interagerande atomer och komplexa geometrier hos kompositen förbättrade gränsytstyrkan och lastöverföringseffektiviteten.

På det här sättet, Ningning Song och kollegor använde grafenark för att skräddarsy gränssnittet mellan B ₄ C-NW och epoximaterial. Teamet syntetiserade nanokompositmaterialet (B ₄ C-NWs@graphene) genom att blanda grafenpulver och B ₄ C-NWs i utspätt vatten. Den resulterande suspensionen visade homogen dispersion i vatten och i epoximaterial för förbättrad lastöverföringseffektivitet, samtidigt som kompositernas mekaniska prestanda förbättras. Denna billiga och effektiva grafeninpackningsteknik kommer att öppna nya vägar för att utveckla starka och tuffa nanokompositer, med tillämpningar inom medicin, farmakologi och läkemedelsleverans, tillåter grafenlindade nanopartiklar att övervinna effluxpumpar och läkemedelsresistens.

© 2020 Science X Network