玻璃碳,现在用较少的热量



最后冬天,bt365手机的研究人员发现,转化为玻璃碳材料以类似于烘烤达到其最佳的高强度和低密度的组合在1000摄氏度(1832华氏度)的过程的苯酚 - 甲醛聚合物。现在他们已确定,它们可以实现类似的转化玻璃状,但在通过添加碳纳米管的一小部分这种材料800℃的工业上更可访问的温度。

由bt365手机研究生阿什利凯泽(左)和明矾和博士后研究板井斯坦SM '13博士'16表明,添加到酚醛树脂的碳纳米管的一小部分降低到实现硬度和低的最佳组合所需的处理温度通过200摄氏度密度。照片:丹尼斯paiste /材料加工中心

作为起始的聚合烃,称为苯酚 - 甲醛聚合物树脂中,从600℃下加热,其微晶的尺寸增大,直到它达到在1000℃平稳状态。博士后 板井年。斯坦 说科学文献表明,该平台拥有,直到远高于2000℃。由排列的碳纳米管的体积与所述起始材料中加入的1%允许它在一个termperature 200℃时达到平台期微晶尺寸。

“我们现在的表现是,通过将碳纳米管添加,我们到达这个高原地区较早,”斯坦说。该研究结果发表译者:在22 材料科学杂志 线上。共同作者是斯坦因,前者材料加工中心,中心材料科学与工程(MPC-CMSE)夏季学者阿什利湖凯泽(2016)和亚历山大Ĵ。警员(2015年),博士后路易斯acauan,和资深作者,航空航天学教授 布赖恩湖沃德尔。凯泽现在在沃德尔实验室的研究生。

提高制造

“这个工作有有趣的发现是纳米结构有助于制造[和]制造玻璃碳纤维复合材料,”沃德尔说。 “用纳米材料早课大致表明,纳米结构阻碍制造业,但是,我们在几个研究领域是控制时,纳米结构可以利用,以提高制造寻找一个主题,有时显著。而纳米结构 - 在这里,定向碳纳米管 - 如加固玻碳有价值的,他们也可以被利用来提高可制造性。 Ashley和板井正采取这项工作进一步测试限制“。

微晶尺寸强烈依赖于硬度,这是机械性能如强度和韧性的量度。它是玻璃状碳材料的最重要的性质之一。

“如果你看看由密度标准化硬度,我们以前发现,在高原地区的第一点是最好的点,因为那里的玻碳材料是最密集和最困难的,”斯坦说。

早期纸的主要发现是, 更多障碍 在碳的排列的微晶导致玻璃状碳材料,其通过烧成在没有氧气的苯酚 - 甲醛聚合物所获得的更高的硬度和更低的密度。将转化的材料也被称为热解碳或PYC。

虽然聚合物转变成石墨状材料,它永远不会到达石墨的更高度有序的结构。这种差异是通过用烘烤样品的x射线衍射(XRD)分析证实,没有,碳纳米管和相比于石墨称为贝纳尔堆叠顺序的标准指标。微晶这里被称为乱层堆叠,其中包含微晶的平面是其中病症的类型,随机相对于彼此旋转,由于孔(或空缺)和曲率。 X射线衍射研究的中心,材料科学与工程的共享实验设备进行验证也相晶粒尺寸演进到烘烤温度。

想象这种疾病相比石墨烯或石墨重复的层状结构的完美六方结构,斯坦建议的平方形片的一叠纸的想法。的文件容易堆栈与各片之间最小的空间完美的正方形。但是,如果每一张纸被取出,弄皱,然后轻轻再次被展平出来,这将是令人沮丧试图将片材重新排序成整齐堆叠。

类似病症发生在玻璃碳的分子结构,这是因为前体苯酚 - 甲醛聚合物开始富碳的化合物的复杂混合物和烘烤温度不高到足以打破它们全部成简单的碳结构。拉曼光谱结果证实在碳结构中的这些缺陷的存在。另一种技术中,傅立叶变换红外光谱,确认氧和氢基团的微晶内的存在。

“它从聚合物前体,我们使用的酚醛起源,和他们只是卡住;他们不能离开,”斯坦说。 

研究人员早先  表明,这些更复杂的碳化合物在材料中的存在通过通向该很难打破三维连接更深。新的工作表明,碳纳米管具有在所述材料这些氧或氢的子结构没有影响。

斯坦说,对于目前的研究,目的是探讨当碳纳米管,并将该烘烤温度升高会发生什么;具体而言,什么样的影响,如果有的话,纳米管对晶体生长。他们发现纳米管影响晶体的形成过程的尺度,这在几十纳米测量,而其他内容保持不变。重要的是,只有晶粒尺寸是通过添加碳纳米管的影响。

“我们惊讶地看到我们的聚合物的石墨性质没有改变,因为它是在碳纳米管的存在下出炉的,‘他说,’不过,这是一个非常有趣的发现,因为我们可以降低加工温度而不影响结构所得到的玻璃碳。由于玻璃碳的性质取决于它的结构,这一发现可能允许该技术的工业过程中实现显著的能源节约。”

加快结构演变

“碳纳米管允许复合材料的结构演变在中尺度更快,所以它以较低的加工温度达到其最终状态,”凯撒增加。 “这些纳米管还降低了材料的总重量。这样一来,我们就能够在较低的温度来生产我们复合,同时降低其密度和保持其优异的性能。”

斯坦指出,在早期的工作中,研究人员还发现,提高加工温度超过1,000℃导致较弱的材料。

“所以我们基本上是减少你需要去,以达到最佳性能的温度,”斯坦说,新报告。 “如果你看由密度归一化的硬度,这[800度c]是最好的点,因为这是在玻璃碳预计密度最小和最困难的。” 

斯坦说,较低的处理温度还可以使这些酚类物质与金属,其熔点低于1000℃,而这又可能是3-d印刷有用更相容。

“我们特别想用这的应用是超常材料,”他说。 “如果你可以使用纳米管,以减少你烤的,如果你想将它转化成碳的温度,只是单纯的碳,然后,可以使人们更容易获得。是200摄氏度,是许多工艺有很大的区别。”

在新的研究结果,研究人员在材料试验只有1%的碳纳米管(体积)。他们计划通过研究增加音量碳纳米管的比例到20%的影响跟进。 “我们只是想看看,如果碳纳米管,使其更强大,“斯坦说。他们也将看到从添加碳纳米管的尺寸和微晶厚度的影响。

下一代纳米结构

“结构复合材料的整个范围会从这项研究中受益,特别是新一代的超轻型纳米结构,”说 皮兰河kidambi,化学和生物分子工程学助理教授范德比尔特大学,谁没有参与这项研究。

“研究发现在中尺度的是定向碳纳米管 - 玻璃碳基质的纳米复合材料与微晶尺寸高原快得多演进(一个重要的质量指标)在温度高达200摄氏度下与具有纯玻璃状碳基体” kidambi说。 “较低的温度制造,以尽量减少加工采暖费的好消息,最近的模型告诉我们,修长的晶体是可取的,因为它们增加了玻碳硬度。因此在微晶尺寸和较低的温度一高原的组合是从制造的观点来看非常有趣。这是高质量的研究,使用基本见解,以告知和引导制造业/优越的复合材料合成路线“。

夏季学者工作

Kaiser的为2016 MPC-CMSE夏季学者的工作构成了大部分论文的实验结果,除拉曼光谱结果。 “这是一个非常强大和集中的贡献,”斯坦说。

“我很高兴能参与这项研究时,我是一个夏天的学者,”凯瑟说。 “现在,能回来bt365手机的研究生,重新加入沃德尔小组,并公布这项工作是非常令人兴奋的。我渴望继续工作的复合材料,我在材料科学与工程在这里实现我的博士学位。”

这项工作从国防,国家科学基金会MRSEC程序,和bt365手机材料加工中心的部门的支持。空中客车,巴西航空,洛克希德马丁,萨博,ANSYS,赫氏,SAERTEX和tohotenax还通过MIT的纳米工程复合航空结构财团提供部分支持。斯坦是由国防科学与工程研究生奖学金的部分资助。