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美国科学家竟然做“千层饼”

2016-08-22 355浏览 标签: 纳米材料美国MIT
动态导读

     近日,麻省理工学院的一个研究小组将一种在糕点制造商中使用了数百年的老把戏活用于实验研究中,发现一种有效的用数百层仅有原子级厚度的材料制造成复合材料的方法。这一发现对于设计新型易于制造的复合材料用于工学器件,电子系统以及高科技材料设计开辟了一条新路。




研究内容


     诸如石墨烯和碳纳米管这样的材料,因为碳碳共价键的存在,是人类已知的“最强韧”的材料之一。一直以来,人们都在研究如何能够使用这种材料来增强其他复合材料,就像在混凝土中加入钢筋以进行增强一样。而存在的障碍是怎样把这些材料嵌入到其他材料之中,这些微小的片状和管状材料有强烈的聚结趋势,所以在液态树脂固化前将石墨烯或碳纳米管加入其中混合搅拌是没用的。MIT研究小组的策略是寻找一种制造大量的结构层,使其有序的堆叠在一起而不用逐层单独堆叠的方法。



     虽然实际处理过程比听起来要复杂,但其核心工艺就像糕点师制作千层饼一样。一层面团或者石墨烯被摊开放平整之后,打个折,然后捣平或者铺开,再打一折,如此往复。每打一折,层数都会加倍,从而使得层数产生指数级增长,打20折就能产生超过上百万层。当然,在纳米层级上的处理过程和做千层饼还是有区别的,此项研究中,研究人员没有将材料折叠,而是对其进行整体(其中包括交替的石墨烯和复合材料)切割形成1/4切片,然后将每一个切片滑移到另一个之上,使之层数增长4倍,重复该步骤能够快速得到整齐的堆叠层,并使得石墨烯嵌入到基质材料之中(该研究使用的是聚碳酸酯),形成复合材料。该方法可以用很少的石墨烯明显增强复合材料总体强度。


     研究小组同时发现了一种利用剪切机理由石墨烯制造结构纤维的方法,有望制造嵌入电子功能的纱线和面料。此种方法得到的滚卷型纤维极为平滑,不会互相粘结成为一大束,同时具有很好的弹性,这一点优于芳纶(Kevlar)等超强材料,可能适用于制造不易破的防护材料。




图1 制备石墨烯平行堆叠片层的过程,从石墨烯的CVD过程开始(I)制备石墨烯片并将其用聚合物进行包覆,(II)折叠和切割,(III)再次堆叠并施加压力,增加层数。该小组同时使用相关方法制备了滚卷型纤维。



项目意义


     此项研究的意义在于,可以使得CVD法制得的大面积石墨烯直接用于增强复合材料,简化处理过程,同时又可以保持很多单层石墨烯的优异性质。如果将其使用于各种不同的复合材料可能会发现更多神奇的性质,例如用于热塑性或者热固性材料。同时因为石墨烯片层的导电性能够得到保持,并且不存在邻近片层间的“短路”,所以有望用于复杂的新型多层电子产品中。

     此项研究受美国陆军研究办公室支持。

动态链接:Borrowing from pastry chefs, engineers create nanolayered composites




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