《石墨烯又有新突破 用于制造碳纤维复合材料原型件》

  • 来源专题:纳米科技
  • 编译者: 郭文姣
  • 发布时间:2017-11-23
  • 石墨烯又有新突破 用于制造碳纤维复合材料原型件2017/11/17 点击 165 次中国粉体网讯  最近,位于英格兰东北部的ThomasSwan公司扩大了其Elicarb石墨烯材料的应用范围,将其用于碳纤维复合材料原型品的制造。    作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料,石墨烯被称为“黑金”,是“新材料之王”    在单向碳纤维织物上的初步测试结果令人欢欣鼓舞。向环氧树脂中添加质量分数1%的Elicarb石墨烯材料,所制造的碳纤维层压板的抗弯强度和模量获得了提高。    这一发现激励ThomasSwan公司开展进一步的研究,制造出了商用碳纤维预浸料。这些原型品的制造是与有经验的第三方合作完成的。    ThomasSwan公司将继续开发、测试和提高这些材料的性能,并将在未来几个月中与选定的合作者共同将该技术转化为商业化产品。    先进材料研发团队负责人DimitrisPresvytis博士介绍道:“我们采用在热塑性和热固性树脂中分散纳米材料的专业知识来提高碳纤维复合材料的性能,取得了令人兴奋的研发结果。”    先进材料部商业主管Step...

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    • 布朗大学的一个研究小组发现了一种方法,可以将用于制造固态锂离子电池的陶瓷材料的韧性提高一倍。《Matter》杂志描述的这一策略可能有助于将固态电池推向大众市场。 “人们对用陶瓷材料取代现有电池中的电解液非常感兴趣,因为它们更安全,而且能提供更高的能量密度,”布朗工程学院的博士后研究员、这项研究的第一作者Christos Athanasiou说。到目前为止,对固体电解质的研究主要集中在优化它们的化学性质上。在这项工作中,我们将重点放在机械性能上,希望能使它们更安全、更实用、更广泛地使用。” 电解液是电池正极和负极之间的屏障,锂离子在充电或放电时通过电解液流动。液态电解质工作得很好——它们被发现存在于今天使用的大多数电池中——但它们有一些问题。在大电流下,电解液内部会形成微小的锂金属丝,从而导致电池短路。由于液体电解质也是高度易燃的,这些短裤可能导致火灾。 固体陶瓷电解质是不易燃的,有证据表明它们可以防止锂丝的形成,而锂丝可以使电池在更高的电流下工作。然而,陶瓷是高脆性材料,在制造和使用过程中可能会断裂。 在这项新研究中,研究人员想知道,在陶瓷中注入石墨烯——一种超强碳基纳米材料——能否提高材料的断裂韧性(一种材料承受开裂而不崩解的能力),同时保持电解质功能所需的电子特性。 阿萨纳苏与布朗大学工程学教授布莱恩·谢尔登和尼廷·帕杜尔合作,他们多年来一直在使用纳米材料来加固用于航空航天工业的陶瓷。在这项工作中,研究人员制造了氧化石墨烯的微小血小板,将其与一种叫做LATP的陶瓷粉末混合,然后将混合物加热以形成一种陶瓷-石墨烯复合材料。 对复合材料的力学测试表明,与单独使用陶瓷相比,复合材料的韧性增加了两倍以上。“发生的情况是,当材料开始开裂时,石墨烯血小板将破裂的表面粘合在一起,因此需要更多的能量来维持裂纹的运行,”Athanasiou说。 实验还表明,石墨烯不会影响材料的电学性能。关键是要确保在陶瓷中加入适量的石墨烯。而石墨烯过少则无法达到增韧效果。过多会导致材料导电,这在电解质中是不需要的。 “你希望电解质能传导离子,而不是电,”帕图尔说。“石墨烯是一种良好的导电体,因此人们可能会认为在电解液中加入导体是在搬起石头砸自己的脚。”但如果我们将浓度保持在足够低的水平,就可以阻止石墨烯导电,同时我们仍能获得结构上的好处。” 综合来看,这些结果表明,纳米复合材料可以提供一条道路,使力学性能更安全的固体电解质用于日常应用。该小组计划继续改进这种材料,尝试石墨烯以外的纳米材料和不同类型的陶瓷电解质。 “据我们所知,这是迄今为止所制造的最坚硬的固态电解质,”Sheldon说。“我认为,我们所展示的是,在电池应用中使用这些复合材料有很大的前景。”
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    • 有时候,违反规则并不是一件坏事。特别是当规则是明显的自然法则,适用于大块材料,但其他力量出现在纳米尺度。 工程科学和力学教授梅利克·德米雷尔(Melik Demirel)说:“大自然知道如何从原子的小尺度发展到更大的尺度。”德米雷尔是Lloyd and Dorothy Foehr Huck椅的仿生材料持有人。“工程师们使用混合规则来提高性能,但仅限于单一尺度。我们从来没有进入下一个层次的层次工程。关键的挑战是,从分子到体积,存在着不同尺度的明显力。” 根据定义,复合组件由多个组件组成。混合规则表明,尽管一种组分与另一种组分的比例可能不同,但复合材料的物理性质是有限制的。据德米雷尔说,他的团队已经突破了这个极限,至少在纳米尺度上是这样。 “如果你有一种导电聚合物复合材料,聚合物和金属化合物的数量受到混合物规则的限制,”德米雷尔说。这些规则支配着矩阵和填充词的一切。我们利用材料——生物聚合物和原子厚度的导电材料——让它们自行组装,并打破了混合物的规则。” 该团队的材料是由一种基于基因复制产生的串联重复蛋白质的仿生聚合物和导电碳化钛2D MXene组成的,后者是一种只有几个分子厚的金属层。这种层状复合材料可以自我组装,聚合物可以调节金属层之间的距离。通过串联重复序列蛋白质的基因工程——一种重复保守序列的生物聚合物——研究人员可以在不改变复合成分的情况下控制导电层的层间距离。研究人员的目标是利用合成生物学创造出能够前所未有地控制其物理特性的自我组装材料。 由于聚合物自组装成一个交联网络,微小区域的基质与填充材料的比例会打破混合规则,层状材料的电学特性也会发生变化。研究人员在最近一期的ACS Nano上报告了他们的工作结果。 这种仿生高分子金属复合材料在适当的体积混合物中既可弯曲又可导电。在微观尺度上,当结构对称性被打破时,电导率取决于方向。 德米雷尔说:“独特的是,现在你可以得到不同于平面外的平面内电导率。” 只要电流是沿着二维材料层的平面运动,电导率是线性的,但如果电流是直接穿过这些层,电导率就会变成非线性的。 德米雷尔说:“现在我们可以制造一种存储设备。“我们还可以制造二极管、开关、稳压器和其他电子设备。我们想要制造的材料具有设计所需的性能,用于建立新的功能,这是很难实现的,或以前无法实现的。”