Отодвиньте в сторону углерод: материалы, армированные нитридом бора, еще прочнее

Хотя такие нанокомпозиты из углеродных нанотрубок и полимеров вызвали огромный интерес со стороны сообщества исследователей материалов, теперь у группы ученых есть доказательства того, что другая нанотрубка, сделанная из нитрида бора, может предложить даже большую прочность на единицу веса. Они публикуют свои результаты в журнале Applied Physics Letters от AIP Publishing.Нитрид бора, как и углерод, может образовывать листы толщиной в один атом, которые свертываются в цилиндры для создания нанотрубок.

Сами по себе нанотрубки нитрида бора почти так же прочны, как углеродные нанотрубки, но их реальное преимущество в композитном материале заключается в том, что они прочно прилипают к полимеру.«Самым слабым звеном в этих нанокомпозитах является граница раздела между полимером и нанотрубками», — сказал Чанхонг Ке, доцент кафедры машиностроения в Государственном университете Нью-Йорка в Бингемтоне.

Если вы сломаете композит, оставшиеся торчащие нанотрубки будут иметь чистую поверхность, в отличие от кусочков полимера, прилипших к ним. Чистый разрыв указывает на то, что соединение между трубками и полимером не работает, отметил Кэ.Выщипывание нанотрубок

Ке и его коллеги разработали новый способ проверки прочности связи нанотрубка-полимер. Они зажали нанотрубки нитрида бора между двумя тонкими слоями полимера, при этом некоторые из нанотрубок оставались торчащими. Они выбрали только трубки, которые торчали прямо из полимера, а затем приварили нанотрубку к кончику крошечной консольной балки. Команда приложила силу к лучу и все сильнее тянула нанотрубку, пока она не оторвалась от полимера.

Исследователи обнаружили, что сила, необходимая для выдергивания нанотрубки, сначала увеличивалась с увеличением длины нанотрубки, но затем стабилизировалась.

Такое поведение является признаком того, что соединение между нанотрубкой и полимером разрывается из-за трещины, которая образуется, а затем распространяется, сказал Кэ.Исследователи протестировали две формы полимера: эпоксидную смолу и поли (метилметакрилат) или ПММА, который является тем же материалом, который используется для оргстекла.

Они обнаружили, что граница между нанотрубками эпоксидной смолы и нитрида бора была прочнее, чем граница раздела нанотрубок из ПММА. Они также обнаружили, что прочность связывания нанотрубок полимер-нитрид бора была выше, чем у углеродных нанотрубок — на 35% выше для границы раздела ПММА и примерно на 20% выше для границы раздела эпоксидной смолы.

Преимущества нанотрубок нитрида бораНанотрубки из нитрида бора, вероятно, сильнее связываются с полимерами из-за того, как электроны расположены в молекулах, объяснил Кэ. В углеродных нанотрубках все атомы углерода имеют одинаковые заряды в ядрах, поэтому атомы делят электроны поровну.

В нитриде бора у атома азота больше протонов, чем у атома бора, поэтому он захватывает больше электронов в связи. Неравное распределение заряда приводит к более сильному притяжению между нитридом бора и молекулами полимера, что подтверждается моделированием молекулярной динамики, выполненным коллегами Ке из группы доктора Сяньцяо Вана из Университета Джорджии.

По словам Ке, нанотрубки из нитрида бора также имеют дополнительные преимущества перед углеродными нанотрубками. Они более стабильны при высоких температурах и могут лучше поглощать нейтронное излучение, и оба эти свойства являются полезными в экстремальных условиях космического пространства. Кроме того, нанотрубки нитрида бора являются пьезоэлектрическими, что означает, что они могут генерировать электрический заряд при растяжении. Это свойство означает, что материал обеспечивает сбор энергии, а также возможности восприятия и срабатывания.

Главный недостаток нанотрубок нитрида бора — стоимость. В настоящее время они продаются по цене около 1000 долларов за грамм по сравнению с 10-20 долларами за грамм углеродных нанотрубок, сказал Кэ. Однако он оптимистично настроен по поводу снижения цены, отмечая, что углеродные нанотрубки были столь же дороги, когда они были впервые разработаны.

«Я думаю, что нанотрубки из нитрида бора — это будущее для создания полимерных композитов для аэрокосмической промышленности», — сказал он.


Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.