研发报告详细内容

美学者运用白色石墨烯夹层大幅提升陶瓷材料延展性和强度

      材料来源:Technews

作为应用材料,陶瓷的主要缺点便是在高压力或高应变情况下容易破碎,但莱斯大学(Rice University)的一项研究正好克服了这个限制,提高了延展性和韧性的同时也提高了强度性能。

Phys.org 报导,这项研究已经发表在美国化学学会出版的《应用材料和接口》(ACS Applied Materials and Interfaces)期刊。

研究作者、莱斯大学民用与环境工程助理教授 Rouzbeh Shahsavari 指出,在两层硅酸钙间加入超薄的六角形氮化硼(hexagonal boron nitride,hBN)将会形成一个有趣的双层晶体,具有多功能的特殊性质, 能够制成一种坚固耐用而且耐热、耐辐射的陶瓷(ceramic)材料。

根据 Shahsavari 的计算,插入二维 hBN 层的硅酸钙将会非常坚固,甚至能当作电厂等核应用的屏蔽体使用,除了适用核工业,这种材料也能用在建筑、原油、天然气、航空航天和其他需要耐火材料或高性能复合材料的领域。

由于二维 hBN 的外型是六边形互相链接形成一个超薄平面,看上去与石墨烯非常像,因此又称为「白色石墨烯」;但与石墨烯不同的是,hBN 主要组成并非碳原子,而是由硼和氮交替组成。

传统上用于加强的填充物(fillers)与主体材料经常是呈现松散连接,但放置在双层硅酸钙间的 hBN 则成为了整体系统的一部分,Shahsavari 认为,这项研究显示了在最小限度的调整下为陶瓷材料加固的可能性。

团队用于研究的陶瓷形式主要为「雪硅钙石」(tobermorite),为了了解与原有材料的差异,团队在研究中也对水平堆栈的雪硅钙石与插入 hBN 的模型进行了实际测试,结果显示复合材料比起原有的雪硅钙石强度高出 3 倍、硬度高出 25%。

当材料被压缩时,一般水平堆栈的雪硅钙石展现出约 10GPa 的降伏强度(yield strength),降伏应力(yield strain)为 7%,而复合材料则显示出 25GPa 的降伏强度,以及 20% 的降伏应力。

Shahsavari 表示,与纤维、奈米碳管(CNT)等常见一维填充物相比,hBN 这样的二维材料是双面的,因此每单位质量的表面积也是两倍,「对于附着到周遭基质和加固效果来说非常完美。 」

Shahsavari 认为,对于那些高性能陶瓷和其他多功能复合材料由下而上的设计,其他二维材料如二硫化钼(molybdenum disulfide)、二硒化铌(niobium diselenide)和层状双氢氧化合物(LDH)也可能可以适用。


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