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陶瓷多功能化新材料“白色石墨烯”

日期: 2018-02-07
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莱斯大学实验室最新研究发现,双层白色石墨烯(中间层)与硅酸钙的结合产生了一种高强度、高韧性的多功能陶瓷,该材料适合做建筑和耐火材料,它在核工业、石油和天然气、航空航天及其他需要高性能复合材料的领域有重要应用。

莱斯大学科学家研究发现,在陶瓷中加入很少量的氮化硼会使材料得到更加优异的性能。

土木与环境工程系助理教授Rouzbeh Shahsavari设想在碳酸钙层之间渗入一层超薄六方氮化硼(hBN),这可能会形成一种有趣的具有多功能特性的双层晶体。这种新材料可适用于核工业、耐火材料、石油、天然气、航空航天和其他需要高性能复合材料的领域。

这种新的结合材料使陶瓷不仅坚韧耐用,而且耐高温和辐射。通过Shahsavari的计算,插层二维hBN的碳酸钙足够坚固,可以用在核电站中起屏蔽作用。

这项研究发表在美国化学学会期刊《应用材料和界面》上。

二维hBN材料又叫白色石墨烯,它看起来像在石墨烯上面与六边形形成超薄平面。但与石墨烯不同的是,它是由交替的硼和氮组成,而不是碳原子。

“这项工作显示了在尽可能小的尺寸上(陶瓷基面)进行材料加固的可能性。” Shahsavari说:“这导致双层晶体,其中hBN是该体系的组成部分,与传统的与主体材料松散连接的增强填料相反。”

他说:“我们的高水平研究表明, hBN与碳酸钙之间共价键、电荷转移和轨道的混合,导致了材料能量稳定性和性能的显著增强。”

实验室研究陶瓷的形态被称为雪硅钙石,在硅酸盐链干燥成硬化水泥时,倾向于自组装在钙和氧层中。Shahsavari的分子尺度研究表明hBN与雪硅钙石充分混合,进入硼原子与氧原子结合并搭扣在一起的hBN片层之间的空间内。

这种手风琴似的扣式结构是由于硼原子和雪硅钙石之间的化学亲和性和电荷转移形成的。硼原子和雪硅钙石稳定复合并赋予其较高的强度和韧性,这是通常在工程材料中相互置换的性质。Shahsavari说,这似乎解释了hBN层受到应力或应变时发生的两相作用机理的出现原因。

水平堆积的雪硅钙石Shahsavari模型和雪硅钙石-hBN显示复合材料的强度是普通材料的三倍,硬度约为普通材料的25%。计算分析表明为什么强迫它们沿轴旋转时,雪硅钙石中的碳化硅链会断裂,而hBN片首先解开搭扣然后逐渐变硬来释放压力。

当被压缩时,平雪硅钙石会显示大约10GPa的低屈服强度(或弹性模量)以及7%的屈服应变(在该点的材料变形)。复合材料的屈服强度为25 GPa,应变高达20%。

“陶瓷的一个主要缺点是它们在高应力或高应变下是易碎的。”Shahsavari说:“我们的方法克服了这一局限性,在提高强度的同时,也提高了塑性和韧性。”

“并且令人高兴的是,系统的热辐射耐受性也增强了,呈现了多功能特性。”他说:“这些特性对于防止陶瓷的劣化和延长其使用寿命具有重要意义,从而节约能源和维护成本。”

当材料从其他角度测试时,纯雪硅钙石和复合材料之间的差异并不明显,但总的来说,hBN显著提高了材料性能。

“与传统纤维或碳纳米管等一维填充料相比,二维材料如hBN具有两面性,所以他们有两倍的表面积。”Shahsavari说:“这对于增强和附着到周围基体的反应来说是完美的。”

他说其他二维材料如钼、铌硒和层状双氢氧化物也可能适用于高性能陶瓷等多功能复合材料的自下向上的设计。


转自粉末冶金商务网


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