 該假彩色掃描電子顯微鏡圖像顯示了順序鍵合的石墨烯片的斷裂表面。
近日，由中國北京航空航天大學(xué)和德克薩斯大學(xué)達拉斯分校科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的國際研究小組已經(jīng)開發(fā)出高強度超韌碳片，可以在低溫下廉價制造。
該團隊通過化學(xué)方法將石墨碳的小片化學(xué)拼合在一起，這與普通鉛筆的軟鉛中發(fā)現(xiàn)的石墨相似。制造過程導(dǎo)致材料的機械性能超過目前用于各種商業(yè)產(chǎn)品中的碳纖維復(fù)合材料的機械性能。
“這些床單最終可能會取代昂貴的碳纖維復(fù)合材料，用于從飛機和汽車車身到風(fēng)車葉片和運動設(shè)備等各種用途，”博士說
今天的碳纖維復(fù)合材料價格昂貴，部分原因是碳纖維的生產(chǎn)溫度極高，可能超過2500攝氏度（華氏約4500華氏度）。
“相比之下，我們的工藝可以使用石墨，從地面上便宜地挖出并在低于45攝氏度（113華氏度）的溫度下處理，”北航大學(xué)化學(xué)教授說。“這些片材在所有面內(nèi)方向上的強度與疊層碳纖維復(fù)合材料的強度相當(dāng)，并且在碳纖維復(fù)合材料失效前它們可以吸收更高的機械能。”
石墨由由石墨烯堆疊層組成的小片組成。石墨烯僅僅是一層碳原子，排列成一個看起來像一個雞絲網(wǎng)柵欄的圖案，網(wǎng)格中的每個六邊形都由六個碳原子組成。
“雖然科學(xué)家可以通過高溫處理連續(xù)制造大片石墨烯，并且顯示這些片材具有顯著的強度，但僅通過堆疊大面積石墨烯片來制造厚的石墨板是不切實際的，”博士說。“人們需要堆疊大約150,000個石墨烯片來制造具有大約人類頭發(fā)厚度的石墨片。”
研究人員在天然珍珠母中發(fā)現(xiàn)了靈感，也被稱為珍珠母，這賦予了貝殼的強度和韌性。珍珠層由平行的薄片組成，它們由有機材料的薄層粘合在一起，類似于用砂漿將墻上的磚粘在一起。
研究員說：“我們不是機械地堆疊大面積石墨烯片，而是將微米尺寸的石墨片氧化成可以分散在水中，然后過濾這種分散體，以低成本制造定向氧化石墨烯片。“這個過程類似于通過過濾纖維漿來手工制造紙張。
“在這個階段，床單既不牢固也不堅韌，這意味著它們在破裂之前不能吸收太多能量，”他說。“我們使用的技巧是使用依次滲透的橋聯(lián)劑將這些片中的血小板縫合在一起，這些橋接劑將互相重疊的相鄰血小板相互連接，并將氧化的氧化石墨烯轉(zhuǎn)化為石墨烯。關(guān)鍵在于我們的橋接劑通過形成共價化學(xué)鍵和范德華鍵“。
北航大學(xué)博士生表示，納入橋聯(lián)劑的片材比不含片劑的片材強4.5倍和7.9倍。“與碳纖維復(fù)合材料不同，不需要聚合物基體，”他說。
教授表示：“雖然昂貴的碳纖維復(fù)合材料片可以在所有的薄板平面方向上提供類似的強度，但它們在斷裂前能夠吸收的能量大約是我們的順序橋接石墨烯薄片的三分之一。“由于我們的片材是在低溫下制造的，因此它們的成本低廉，除了表現(xiàn)出較高的片材強度，韌性和抗疲勞性之外，它們具有高導(dǎo)電性并且能夠屏蔽電磁輻射，這些性能使得這些順序橋接的石墨烯片對未來可能的應(yīng)用非常有吸引力。”
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