Graphene дает силу, жесткость и проводимость керамики

По словам исследователя университета Райса, немного hBN в керамике может дать им исключительные свойства.

Двуслойный белый графен (средний слой) в сочетании с силицитом кальция создает многофункциональную керамику с высокой прочностью и вязкостью, согласно в лабораторию Райс-университета. Материал может быть подходящим для строительных и огнеупорных материалов и применений в ядерной промышленности, нефтегазовой, аэрокосмической и других областях, где требуются высокопроизводительные композиты. (Image credit: Rouzbeh Shahsavari)

Rouzbeh Shahsavari, помощник профессора гражданской и экологической инженерии, предположил, что добавление листов ультратонкого гексагонального нитрида бора (hBN) между слоями силикатов кальция создаст замечательный двухслойный кристалл с многофункциональными свойствами. Они могут быть идеальными для строительных и огнеупорных материалов, а также для применения в ядерной промышленности, аэрокосмической, нефтегазовой и других областях, что требует высокопроизводительных композитов.

Слияние материалов сделало бы керамику, которая не только прочная и прочная, но также устойчива к радиации и высокой температуре. По расчетам Шахсавари, силикаты кальция с вставленными слоями двумерного hBN могут быть достаточно упрочнены, чтобы служить защитой в ядерных приложениях, таких как электростанции.

Подробная информация об исследовании опубликована в журнале American Chemical Society ACS Applied Materials and Interfaces.

Двумерный hBN называется окровавленным графеном и напоминает графен сверху, со связанными шестиугольниками, образующими ультратонкую плоскость. Но hBN изменяется от графена, поскольку он содержит чередующийся азот и бор, а не атомы углерода.

В этой работе показана возможность армирования материала при наименьшей возможной размерности, базальной плоскости керамики. В результате получается двухслойный кристалл, где hBN является неотъемлемой частью системы, в отличие от обычных армирующих наполнителей, которые слабо связаны с материалом-хозяином.

. Наше исследование на высоком уровне показывает энергетическую стабильность и значительное улучшение свойств благодаря ковалентному связыванию, переносу заряда и орбитальному перемешиванию между hBN и силикатами кальция.

Рузбе Шахсавари, доцент кафедры гражданской и экологической инженерии

. Форма керамики, исследованная лаборатория, известная как тоберморит, склонна к самосборке в слоях кислорода и кальция, содержащихся вместе силикатными цепями, когда она высыхает в закаленный цемент. Исследование молекулярных масштабов Шахсавари показывает, что hBN хорошо сочетается с тоберморитом и скользит в промежутках между слоями, когда атомы бора и кислорода связываются, изгибая плоские листы hBN.

Эта гармоничная балансировка связана с химическим сродством и переносом заряда между атомами бора и тоберморитом, который стабилизирует композит и обеспечивает высокую прочность и вязкость, которые обычно компрометируют друг друга в конструкционных материалах, сказал Шахсавари. Объяснение представляется двухфазным механизмом, который возникает, когда слои hBN подвергаются напряжению или деформации.

Модели Shahsavari с горизонтально уложенными тоберморитом и тоберморитом-hBN показали, что композит был в три раза сильнее и примерно на 25% более жестким, чем обычный материал. Вычислительный анализ показал, почему: Хотя силикатные цепочки в тоберморите не работали, когда они вынуждены вращаться вдоль своих осей, листы hBN снимали стресс, сначала расстегивая, а затем усиливая.

При сжатии равнинный тоберморит демонстрировал низкий предел текучести (или модуль упругости) около 10 гигапаскалей (ГПа) с деформацией выхода (точка деформирования материала) 7%. Композит показал предел текучести 25 ГПа и напряжение до 20%.

«Основным недостатком керамики является то, что они хрупки и разрушаются при высоком напряжении или напряжении», – сказал Шахсавари. «Наша стратегия преодолевает это ограничение, обеспечивая повышенную пластичность и вязкость при улучшении прочностных свойств.

«В качестве бонуса термальная и радиационная толерантность системы также увеличивается, что дает многофункциональные свойства», – сказал он. « Эти функции важны для предотвращения ухудшения качества керамики и увеличения срока их службы, что позволяет экономить энергию и расходы на техническое обслуживание».

Когда материал анализировался с других углов, различия между чистым тоберморитом и композитом были менее очевидными, но в среднем hBN значительно улучшал свойства материала.

. По сравнению с одномерными наполнителями, такими как обычные волокна или углеродные нанотрубки, 2D-материалы, такие как hBN, являются двусторонними, поэтому они имеют вдвое большую площадь поверхности на единицу массы. Это идеально подходит для армирования и адгезии к окружающей матрице.

Рузбех Шахсавари, доцент Гражданского и E nvironmental E ngineering

Он сказал, что другие 2D-материалы, такие как дисульфид молибдена дисульфида ниобия и слоистый двойной гидроксид, также могут быть идеальными для восходящей конструкции высокоэффективной керамики и других многофункциональных композиционных материалов.

Исследование было поддержано Национальным научным фондом. Суперкомпьютерные ресурсы были предоставлены Национальными институтами здравоохранения и IBM Shared University Research Award в партнерстве с Cisco, Qlogic и Adaptive Computing, а также суперкомпьютером DAVinCI, поддерживаемым Национальным научным фондом Райса, администрированным Центром научных исследований и приобретенным в партнерстве с Райс Кен Кеннеди Институт информационных технологий.

Source link