Mocny kompozyt z grafenu i metali

multiwarstwa

Grafen to jednoatomowa warstwa węgla o doskonałych właściwościach mechanicznych. Jego dwuwymiarowa geometria zapewnia dużą wytrzymałość, wysoki moduł Younga oraz skutecznie ogranicza przemieszczanie się dyslokacji. Naukowcy z KAIST opracowali nanokompozyt z naprzemiennie ułożonych warstw metalu (miedzi lub niklu) oraz pojedynczych warstw grafenu.

Nowy nanomateriał z grafenu oraz miedzi lub niklu wytrzymuje obciążenia odpowiednio 500 i 180 razy większe niż czyste metale. Efekt prac badawczych został opublikowany w czasopiśmie Nature Communications.

W osobnym badaniu poświęconym połączeniu grafenu z metalami ogłoszonym w maju 2013, naukowcy z Columbia Engineering wykazali, że grafen powstały w wyniku połączenia wielu ziaren krystalicznych jest prawie tak samo wytrzymały jak grafen w jednolitej, krystalicznej formie. Badania te rozwiały wątpliwości pomiędzy teoretycznymi symulacjami, które przewidywały, że granice ziaren umacniają materiał a wcześniejszymi eksperymentami, które dowodziły mniejszej wytrzymałości połączonych ziaren od krystalicznej sieci grafenu.

Obecnie naukowcy potrafią stworzyć arkusze grafenu o powierzchni tak dużej, jak w ekran telewizora, za pomocą chemicznego osadzania gazowego (z ang. chemical vapour deposition – CVD). Metoda ta polega na osadzaniu pojedynczych warstw grafenu na podłożu z miedzi w komorze reakcyjnej o wysokiej temperaturze.

Aby zmaksymalizować przyrost wytrzymałości kompozytom grafen-metal, zespół badawczy KAIST (Korea Advanced Institute of Science and Technology) stworzył warstwową strukturę metalu i grafenu. Korzystając z techniki CVD zespół osadził pojedynczą warstwę grafenu na metalowym podłożu, następnie osadził kolejną warstwę metalu i powtarzał proces do utworzenia wielowarstwowego materiału kompozytowego. Testy wytrzymałości na mikrościskanie z wykorzystaniem transmisyjnego mikroskopu elektronowego i dynamicznej symulacji molekularnej wykazały wzrost wytrzymałości oraz blokowanie ruchów dyslokacji na poziomie atomowym.

Mechaniczne właściwości warstwy grafenu w kompozycie grafen-metal skutecznie zahamowały wzrost pęknięć powstałych w wyniku działania zewnętrznych sił. Dlatego wytrzymałość materiału kompozytowego grafen-metal jest większa niż w przypadku konwencjonalnych metalowych materiałów wielowarstwowych.

Odległość międzypłaszczyznowa w wielowarstwowym kompozycie z grafenu i miedzi wynosi 70nm. Nanokompozyt wykazuje 500 razy większą wytrzymałość (1.5GPa) niż dla czystej miedzi. Odległość międzypłaszczyznowa dla wielowarstwowego kompozytu z grafenu i niklu wynosi 100nm. Nanokompozyt wykazuje 180 razy większą wytrzymałość (4.0GPa) niż dla czystego niklu.

Naukowcy stwierdzili, że istnieje wyraźny związek między odległościami międzypłaszczyznowymi a wytrzymałością materiału wielowarstwowego. Mniejsze odległości międzypłaszczyznowe utrudniają ruch dyslokacjom.

Wynik jest zdumiewający, wagowy dodatek 0,00004% grafenu zwiększa wytrzymałość materiałów, setki razy… . Ulepszenia bazujące na tym badaniu umożliwią masową produkcję półproduktów elektronicznych w procesie “roll-to-roll” a także tworzenie lekkich i wytrzymałych części samochodów oraz statków kosmicznych podczas spiekania metalów. Ponadto nowe materiały mogą być zastosowane do budowy reaktorów jądrowych lub innych strukturalnych materiałów, od których wymagana jest wysoka niezawodność” – powiedział profesor Han, lider zespołu badawczego.

Źródło:
[1] Strengthening effect of single-atomic-layer graphene in metal–graphene nanolayered composites. Youbin Kim, Jinsup Lee, Min Sun Yeom, Jae Won Shin, Hyungjun Kim, Yi Cui, Jeffrey W. Kysar, James Hone, Yousung Jung, Seokwoo Jeon & Seung Min Han. Nature Communications 4, Article number: 2114
[2] http://www.nanowerk.com/news2/newsid=31925.php | 27.08.2013
[3] http://www.nature.com/ncomms/2013/130702/ncomms3114/full/ncomms3114.html | 27.08.2013
[4] Apollo 16 Lunar Module Foil by Steve Jurvetson (jurvetson), flickr.com, CC BY 2.0

Dodaj pierwszy komentarz

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *