کربن شیشه ای، در حال حاضر با حرارت کمتر

محققان MIT گزارش دادند که نانولوله های کربنی دمای تحریک کربن شیشه ای را کاهش می دهند، احتمالا به تولید کنندگان کمک می کند.

محققان MIT در ماه زمستان گذشته دریافتند که یک پلیمر فنل فرمالدئید به یک ماده کربن شیشه ای تبدیل شده در یک فرآیند شبیه به پخت، بهترین ترکیب خود را از استحکام بالا و چگالی کم در ۱،۰۰۰ درجه سانتیگراد (۱۸۳۲ درجه فارنهایت) را یافتند

اکنون آنها مشخص کرده اند که می توانند تحول شیشه ای مشابهی را به دست بیاورند، اما در یک دمای قابل دسترس تر صنعتی تر از ۸۰۰ درجه سانتیگراد با اضافه کردن یک کسر کوچک از نانولوله های کربنی به این مواد امکان پذیر است

به عنوان آغازگر هیدروکربن پلیمری که به عنوان یک رزین پلیمر فرمالدئید فنل شناخته می شود، از ۶۰۰ درجه سانتیگراد گرم می شود، اندازه کریستال های آن رشد می کند تا زمانی که به ۱۰۰۰ درجه سانتی گراد می رسد.

Postdoc Itai Y. Stein می گوید ادبیات علمی نشان می دهد که این فلات تا زمانی که بیش از ۲۰۰۰ درجه سانتی گراد نگه داشته می شود. افزودن ۱ درصد حجم نانولوله های کربنی تراز به مواد اولیه باعث می شود تا اندازه ی کریستالیت فلات را در دمای ۲۰۰ درجه سانتیگراد پایین بیاوریم.

استاین می گوید: “آنچه ما نشان می دهیم این است که با افزودن نانولوله های کربنی، ما به زودی به این منطقه فلات می رسیم.” یافته ها در ۲۲ اوت در مجله علوم مواد آنلاین منتشر شده است.

همکاران Stein، مرکز مواد پردازش مواد اولیه (MPC – CMSE) دانش آموزان تابستانی Ashley L. Kaiser (2016) و Alexander J. Constable (2015), ، Postdoc Luiz Acouan و نویسنده ارشد، Stein بودند. استاد هواشناسی و فضانوردی Brian L. Wardle. کایزر اکنون دانشجوی کارشناسی ارشد در وردل است.

بهبود کارایی

Wardle می گوید: “این کار جالب توجه است که نانوساختارها در ساخت و تولید کامپوزیت کربن شیشه ای کمک می کنند.”؛“درس های اولیه با مواد نانو به طور گسترده نشان می دهد که نانوساختار مانع تولید می شود، با این حال، ما در حال پیدا کردن موضوع در زمینه های مختلف تحقیق می کنیم که در هنگام کنترل، نانوساختارها را می توان برای افزایش تولید، در برخی موارد به طور قابل توجهی استفاده می شود. در حالی که نانوساختارها – در اینجا، نانولوله های کربنی تراز – به عنوان تقویت کننده به کربن شیشه ای ارزشمند هستند، آنها همچنین می توانند برای بهبود کارایی استفاده شوند. اشلی و ایاتا این کار را حتی برای آزمایش محدودیت ها انجام می دهند. “

اندازه کریستالیت به شدت به سختی مرتبط است، که اندازه گیری عملکرد مکانیکی مانند قدرت و چقرمگی است. این یکی از مهمترین خواص مواد کربن شیشه ای است.

استاین می گوید: “اگر شما به سختی که توسط تراکم عادی شده نگاه کنید، قبلا متوجه شدیم که نقطه اول در منطقه فلات بهترین نقطه است، زیرا ماده کربن شیشه ای است که کمترین متراکم و سخت تر است.”

یافته اولیه در مقاله قبلی این بود که اختلال بیشتر در ترتیب کریستالهای کربن به سختی بیشتر و تراکم کمتر در ماده کربن شیشه ای منجر شد که از طریق پختن پلیمر فرمالدئید فنل در غیاب اکسیژن حاصل شد. مواد تبدیل شده نیز کربن پیرولیتیک یا PyC نامیده می شود.

اگر چه پلیمر تبدیل به یک ماده گرافیت مانند می شود، هرگز به ساختار بیشتر از دستورالعمل گرافیت نمی رسد. این تفاوت با تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس (XRD) نمونه هایی که با نانولوله های کربنی پخته شده و بدون آن تأیید شده است، در مقایسه با یک شاخص استاندارد برای گرافیت شناخته شده به عنوان نظم برنال است.

نوع اختلال در میان کریستالها در اینجا به نام استقرار توربوسترایی نامیده می شود، جایی که هواپیما هایی که کریستال ها را تشکیل می دهند، به طور تصادفی با توجه به یکدیگر به علت حفره ها (یا خالی) و انحنای آنها چرخانده می شوند.

مطالعات XRD انجام شده در مرکز آزمایشگاه های مشترک آزمایشگاه مواد و مهندسی نیز به تکامل اندازه کریستالیت در رابطه با درجه حرارت پخت، اعتبار داده است.

استیون تصور می کند که این اختلال در مقایسه با ساختار کامل شش ضلعی گرافن و یا تکرار ساختار لایه ای گرافیت، استیون پیشنهاد می کند که یک ستون از مقادیر مربع مسطح کاغذ مقالات به راحتی به یک مربع کامل با حداقل فاصله بین هر ورق پشته. اما اگر هر قطعه کاغذ بیرون بریزد، تقسیم شده و سپس به آرامی دوباره مسطح می شود، تلاش برای مرتب کردن برگ ها به یک پشته شسته می شود.

اختلال مشابهی در ساختار مولکولی کربن شیشه ای اتفاق می افتد، زیرا پلیمر پیش ماده فنل فرمالدئید با ترکیبی پیچیده از ترکیبات غنی از کربن شروع می شود و دمای پخت آن به اندازه کافی بالا نیست که همه آنها را به ساختار ساده تر کربن برساند.

نتایج طیف سنجی رامان نشان دهنده وجود این نقص در ساختار کربن است. یکی دیگر از تکنیک های اسپکتروسکوپی مادون قرمز فوریه، حضور گروه های اکسیژن و هیدروژن را در کریستال ها تایید کرد.

“از پیش ماده پلیمری که ما استفاده می کنیم، از فنل فرمالدئید حاصل می شود و فقط گیرنده است؛ آنها نمی توانند ترک کنند”، استین توضیح می دهد. 

مقاله پیشین محققان نشان داد که حضور این ترکیبات کربن پیچیده در ماده، باعث تقویت آن می شود و منجر به اتصال سه بعدی می شود که برای شکستن سخت است. کار جدید نشان می دهد که نانولوله های کربنی بر روی این زیر ساخت های اکسیژن یا هیدروژن در مواد تاثیر نمی گذارد.

استین می گوید که برای مطالعه فعلی هدف این بود که کشف کنیم چه اتفاقی می افتد وقتی که نانولوله های کربنی اضافه می شوند و درجه حرارت پخت افزایش می یابد؛ به طور خاص، چه تاثیری، اگر وجود داشته باشد، نانولوله ها بر رشد کریستالیت.

آنها دریافتند که نانولوله ها بر فرآیند تشکیل کریستالیت در مقیاس مازو تاثیر می گذارند، که در دهها نانومتر اندازه گیری می شود، در حالی که همه چیز باقی می ماند. مهم این است که فقط اندازه کریستالیت توسط افزودن نانولوله های کربنی تحت تاثیر قرار می گیرد.

او می گوید: “ما شگفت زده کردیم که هیچ تغییری در ماهیت گرافیت پلیمر ما نداشته باشیم زیرا در حضور نانولوله های کربنی پخته می شود.” با این وجود، “این یک نتیجه بسیار جالب است زیرا ما می توانیم دمای پردازش را بدون تاثیر بر ساختار کربن شیشه ای حاصل شده است. از آنجایی که خواص کربن شیشه ای به ساختار آن بستگی دارد، این یافته می تواند روند صنعتی این فن آوری را برای به دست آوردن صرفه جویی قابل توجه انرژی صرفه جویی کند. “

تکامل ساختاری سریع تر

کایزر می افزاید: “نانولوله های کربنی به ساختار کامپوزیت اجازه می دهند سریعتر در مقیاس meso تکامل پیدا کنند، بنابراین به حالت پایانی خود در دمای پایین تر پردازش می رسد.”

“این نانولوله ها همچنین وزن کلی مواد را کاهش می دهند. به این ترتیب، ما می توانیم کامپوزیت خود را با دمای پایین تر تولید کنیم و در نتیجه کاهش چگالی آن و حفظ خواص عالی آن”.

استین یادآور می شود که در کار قبلی نیز محققان نشان دادند که افزایش دمای پردازش بیش از ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد منجر به مواد ضعیفی می شود

استین می گوید: “بنابراین ما اساسا کاهش دمای شما را برای رسیدن به بهترین خواص، کاهش می دهد.”

“اگر شما به سختی نرمال شده توسط تراکم نگاه کنید، این [۸۰۰ درجه سانتیگراد] بهترین نقطه است، زیرا این جایی است که کربن شیشه ای انتظار می رود که حداقل متراکم و سخت تر باشد.”

استین می گوید که دمای پردازش پایین تر نیز ممکن است این مواد فنلی را با فلزاتی که نقطه ذوب آنها کمتر از ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد است، سازگار کند، که به نوبه خود ممکن است برای چاپ سه بعدی مفید باشد.

او می گوید: “برنامه ای که ما به طور خاص از استفاده از این در نظر گرفته ایم، متا-مواد است.” “اگر شما می توانید از نانولوله ها برای کاهش دمای شما استفاده کنید، اگر می خواهید آن را به کربن تبدیل کنید، فقط کربن خالص، پس از آن می توانید آن را بیشتر قابل دسترس است. این ۲۰۰ درجه سلسیوس تفاوت زیادی برای بسیاری از فرآیندها است. “

در یافته های جدید، محققان بر روی یک ماده با حجم نانولوله کربن فقط ۱ درصد کربن آزمایش کردند.

آنها قصد دارند با بررسی تاثیر افزایش نسبت نانولوله های کربنی به ۲۰ درصد حجم، پیگیری کنند. استین می گوید: “ما فقط می خواهیم ببینیم که آیا نانولوله ها آن را قوی تر می کنند.” آنها همچنین به تاثیر اندازه و ضخامت کریستال ها از نانولوله های کربنی افزوده می شوند.

نسل بعدی نانو ساختارها

Piran R. Kidambi، استادیار مهندسی شیمی و بیوموکلئور در دانشگاه واندربیلت می گوید: “طیف کامپوزیت های ساختمانی از این مطالعه، به ویژه نسل بعدی نانو ساختار بسیار سبک وزن بهره مند خواهد شد، که در این تحقیق شرکت نکرد.

“این مطالعه نشان داد که نانوکامپوزیت های ماتریس کربن نانولوله کربنی که در مقیاس Meso به ترتیب کربن نانولوله کربنی کربناته شده اند، با سرعت بالایی در اندازه کریستالیت (معیار کیفیت مطلوب) در دمای ۲۰۰ درجه سانتیگراد پایین تر نسبت به داشتن یک ماتریس کربن شیشه ای خالص ، “Kidambi می گوید.

“درجه حرارت پایین، خبر خوبی برای تولید است تا هزینه های گرما را در پردازش به حداقل برساند، و مدل های اخیر به ما می گویند که کریستال های لایه ای مطلوب هستند زیرا باعث افزایش سختی کربن شیشه ای می شوند.

از این رو ترکیبی از فلات در اندازه کریستالیت و درجه حرارت پایین تر از دیدگاه تولید بسیار جالب است. این تحقیق با کیفیت است که از بینش اساسی برای اطلاع رسانی و راهنمایی مسیرهای تولید / ترکیب برای کامپوزیت های برتر استفاده می کند. “

کارآموزی تابستان

کار Kaiser به عنوان یک دانشمند تابستانی MPC-CMSE 2016، نتایج عمده آزمایشات کاغذی را به جز نتایج طیف سنجی Raman تشکیل می دهد. استین می گوید: “این سهم بسیار قوی و متمرکز است.

” Kaiser می گوید: “من هیجان زده شدم که در این تحقیق شرکت کنم زمانی که یک دانشمند تابستانی بودم”. “اکنون قادر به بازگشت به MIT به عنوان یک دانشجوی تحصیلات تکمیلی، دوباره به گروه وردل می پیوندد، و انتشار این اثر بسیار هیجان انگیز است. من مشتاقانه به ادامه کار بر روی کامپوزیت ها به عنوان من در PhD من در اینجا در علوم و مهندسی مواد. این کار پشتیبانی از وزارت دفاع، موسسه ملی علوم MRSEC و مرکز پردازش مواد MIT را دریافت کرد.

ایرباس، Embraer، لاکهید مارتین، Saab AB، ANSYS، Hexcel، Saertex، و TohoTenax همچنین پشتیبانی جزئی از کنسرسیوم سازه های هوافضایی کامپوزیتی نانو ساخته شده توسط MIT را ارائه دادند

استین به کمک برخی از دانش آموختگان علوم و مهندسی ملی حمایت شد.