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珍珠质石墨烯复合材料,强而韧两不误!

发布时间:2017-10-13 09:56   信息来源:易智网

文章来源:新材料在线

珍珠岩也被称为“自然的盔甲”,由砖石结构组成,其中文石与柔软的生物聚合物层(砂浆)以类似三文治的结构夹在一起。现在,美国弗吉尼亚大学的一个团队由石墨烯和铝制成了与珍珠岩具有相同类型结构的复合材料,并且具有更高的强度和韧性。与自身相比,新型生物复合材料的硬度提高了210%,强度提高了223%,刚度提高了78%。它可能会应用于汽车,飞机和火车等对重量有一定要求的方面,也可能用于需要强劲,坚硬和坚韧的组件来传导热量的下一代电子设备。

石墨烯/Al2O3/Al复合材料的微观结构

制备既硬又韧的材料仍是现在需要克服的一大难题。例如,如果一种材料具有较高的硬度,它便会变得更脆。但大自然已经克服了这个问题——珍珠质同时具有很高的强度和韧性,这要归功于嵌入有机生物聚合物基质中的层状硬霰石片晶组成的分层结构。霰石是负载轴承,它使珍珠岩具有更高的强度,而生物聚合物既能分散载荷又能在其变形时消散能量。最后,片晶之间的文石片晶和矿物桥梁的表面纳米密度使片晶互锁,防止单个片晶移动。

尽管这个架构看起来很简单,但使用传统的工程流程来生产是非常困难的。到目前为止,大多数方法依赖于陶瓷/聚合物配置-例如,Al2O3/PMMA层状复合材料,其结构上类似珍珠质或珍珠质样CaCO3/PAA复合材料,并且已经使用中尺度组合和矿化技术制成。虽然这些复合材料比单独的组分更坚固,但由于它们含有聚合物,所以它们的强度不是很高。

模仿珍珠层的硬/软/硬结构

现在,研究人员李晓东、张云亚已经利用氧化石墨烯中的含氧基团来构建模拟珍珠层硬/软/硬结构,如Al/石墨烯/Al2O3复合材料。由于其超高的硬度和出色的化学稳定性,Al2O3纳米粒子是增强聚合物和金属材料的理想选择。

制造金属复合材料往往需要严格的塑性变形和高温退火。这些过程不可避免地会损坏所添加石墨烯的结构,进而使得机械强度不能如预期增加。这便是以前的石墨烯/金属复合材料具有比理论预期更低的强度和刚度的主要原因。

Al2O3作为辅助增强剂

与其寻求一种方法来避免损害所包含的石墨烯,不如提出一种利用氧化石墨烯和Al之间反应的巧妙制造方法。研究人员有效地将石墨烯氧化物还原成有缺陷的石墨烯和Al2O3,并以Al2O3为辅助增强剂来补偿石墨烯的降解,从而使复合材料更强。

研究人员通过纳米压痕和拉伸试验发现,Al层和Al2O3/石墨烯/Al2O3层之间的模量差异超过30%,而严重变形的Al基体的延展性仅为10%。并且Al2O3的粗糙度从Al基体增长,这导致这些层之间的亲密结合和几何互锁,从而有助于避免大规模的分层。Al和Al2O3/石墨烯/Al2O3层之间的模量和延展性的明显不匹配以及它们之间的紧密结合使得陶瓷/石墨烯层的行为像硬砖和较软的Al金属层,如砂浆,这是一个与珍珠层非常相似的结构。

扩展到其他金属

他补充说到,这一新型复合材料可能用于重量和强度都要求很高的应用中。例如高速车,重量减轻可以大大降低能耗。另一个领域是下一代电子产品,它们需要坚固、坚硬、坚韧同时具有良好导热性(由于其石墨烯的存在,这一新型材料也具备)的原材料。

研究人员报道了他们在纳米快报DOI:10.1021/acs.nanolett.7b03308中的工作,现在他们希望能优化这一Al/石墨烯/Al2O3复合材料,并研究如何扩大生产。其次,他们希望将在Al中所看到的增强机制延伸到其他金属,如Ni,Cu,Ti和Mg。最后,他们将尝试找出这些复合材料是否可以在能量收集和能量储存等领域有其他可能的应用。