麻省理工最新研究成果
2017-10-11 11:02:00
作者：本网发布 来源：赛菲斯材料热点
【据phy.org 网站9月4号报道】去年冬天，麻省理工学院的研究人员发现，在1000摄氏度（华氏1,832华氏度），以焙烧的方法将酚醛树脂转化成玻璃碳材料，可以实现高强度和低密度的最佳组合。而现在他们已经能够实现类似的玻璃化转变，即在800℃的条件下，向该材料中加入一小部分碳纳米管。
提高可制造性
Wardle说：“这项工作带给我们一个有趣的发现，即纳米结构有助于制造玻璃碳复合材料。纳米材料的早期研究已经表明，纳米结构阻碍了制造业的发展，然而，我们在几个研究领域中都找到了一个共同点，即当纳米结构受控时，它非但不会阻碍制造，而且还可以显著地加强制造。”
晶粒尺寸与硬度密切相关，而硬度又是强度和韧性等机械性能的量度。它也是玻璃碳材料最重要的特性之一。
早期论文的主要发现是，碳晶粒排列的越紊乱，则玻璃碳材料中的硬度就越高、密度也越低，这是由于在无氧环境下焙烧酚醛树脂所致。转化的这种物质也被称为热解碳。
虽然这种聚合物可以转化成类似石墨的材料，但是它并不具有高度有序的结构。这种差异通过x射线衍射(XRD)的分析也得到了证实。这里微晶之间的紊乱结构被称为乱层堆垛。
为了想象出这种紊乱的结构，Stein建议将它们想象成一堆扁平的方形纸。纸张容易堆叠成一个完美的正方形，且每张纸之间的空间很小。但是，如果将每张纸取出，揉皱，然后再将其轻轻地压平，此时若想将纸张重新排列成整齐的堆叠就显得格外困难了。
类似的无序结构存在于玻璃碳分子中，由于前驱体酚醛树脂富含碳的混合物，如果焙烧温度不够高，就无法将其全部分解成更简单的碳结构。拉曼光谱证实了这些缺陷在碳结构中的存在，且傅立叶变换红外光谱则证实了微晶内氧和氢基团的存在。
研究人员早期的论文表明，这种物质通过难以被破坏的三维连接来保持它的高强度。而新的研究结果表明，碳纳米管对材料中氧或氢的亚结构是没有影响的。
上图为麻省理工学院博士后Itai Stein手持固化的酚醛树脂和玻璃碳的样品照片。
Stein说：“我们惊讶地发现，在碳纳米管存在的情况下，聚合物的石墨化特性没有改变。这是一个非常有趣的发现，因为我们可以降低其加工温度，但却不会影响到所得玻璃碳的结构。由于玻璃碳的性质取决于它的结构，这一发现可以使该材料的工业生产大大降低其能源成本。”
更快的结构演变
“碳纳米管使复合材料的结构在中尺度上能够演变得更快，所以它才能在较低的加工温度下达到其最终状态，”Kaiser 补充道，“这些纳米管也降低了材料的整体重量，使得我们可以在较低的温度下，生产出低密度且保持其优异性能的复合材料。”
Stein指出，在早期的研究中，研究人员还发现，当加工温度升高到1000℃以上时，会导致材料的性能变差。
“因此我们实质上是想降低达到最佳性能的温度，”Stein在报告中说， “800摄氏度是最好的温度点，因为此时玻璃碳可以实现低密度的同时且保持其高强度。”
Stein说，较低的加工温度也可能使这些酚醛材料与熔点低于1000℃的金属更相容，而这对3D打印来说是非常有应用前景的。
下一代纳米结构
范德堡大学化学与生物分子工程助理教授Piran R. Kidambi说：“未来一系列结构复合材料都将从这项研究中获益，特别是下一代超轻量级纳米结构。”
Kidambi说：“研究发现，与纯玻璃碳基质相比，在200摄氏度以下的温度，中尺度的碳纳米管——玻璃碳基质纳米复合材料演变得更快，低温对于制造来说是个好消息，可以减少加工过程中的加热成本，因此，从制造角度来说，微晶尺寸和较低温度下的组合是非常有趣的，这是一项高质量的研究，它为优质复合材料的制造/合成提供了路线。
Kaiser说：“我非常高兴参与这项研究，现在，能够作为研究生回到麻省理工学院，重新加入Wardle集团，进行这项工作非常令人兴奋。我渴望当我攻读博士学位的时候，能够继续从事复合材料的研究工作。”
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