Kolm hiljutist Rensselaeri Polütehnilises Instituudis tehtud uurimustööd näitavad miks on grafeen praegustest nanomaterjalidest just parim materjal tugevdamaks sulameid kõiges: alates tuuleturbiinidest kuni lennukite tiibadeni välja.
Uue uurimustöö kohaselt on grafeen süsinik-nanotorudest ja muudest nanoosakestest epoksüüd-komposiitmaterjalide tugevuse ning mehaaniliste omaduste parandamiseks parim. Pildil grafeenlehekesed, mille Koratkari töögrupp eraldas grafiiditükilt.
Grafeeni sisaldavad metallisulamid on võrreldes süsinik-nanotorusid või muid nanoosakesi sisaldavatest sulamitest tugevamad, jäigemad ning vähem altid murduma. See tähendab et grafeeni võimaldaks luua nanokomposiitmaterjalide järgmise generatsiooni.
,,Ma olen töötanud nanokomposiitmaterjalidega ligi 10 aastat ning materjali mehaaniliste omaduste seisukohast on grafeen parim valik,” sõnas Nikhil Koratkar, üks uurimuse läbiviijaid. ,,Kandes oma erakordse tugevuse ning mehaanilised omadused üle antud materjali ületab grafeen kaugelt süsinik-nanotorude või muude kasutatavate nano-täitematerjalide eelised.”
Koratkari uurimustööde artiklid ilmusid ajakirjades Small, ACS Nano ning Applied Physical Letters.
Kõrgtehnoloogilisi komposiitmaterjale kasutatakse üha enam võtmekomponendina tuuleveskite labade, lennukite ning kõige muu valmistamisel, kus tähtis on materjalide kergus ning tugevus. Epoksüüd-komposiitmaterjalid on erakordselt kerged, kuid samas ka kergeltpurunevad ning haprad. Koratkar koos kolleegidega pani sellistesse materjalidesse grafeeni tükke või lehekesi. Iga selline kogum on vaid mõne nanomeetri paksune. Samuti panid teadlased epoksüüd-komposiitmaterjalidesse süsinik-nanotorusid.
Grafeeni sisaldavad materjalid andsid aga kõvasti paremaid tulemusi. Lisades grafeeni vaid o,1% suuruses koguse materjali kaalust suurendas materjali tugevust ning jäikust sama palju kui seda oleks teinud süsinik-nanotortude lisamine 1% suuruses koguses. Samuti tõstis grafeeni lisamine komposiiti selle vastupanuvõimet materjali väsimusest tekkivate pragude levikule tavalisega võrreldes kaks korda.
Kuigi grafeen ning süsinik-nanotorud on oma keemilise koostise ning mehaaniliste omaduste poolest peaaegu identsed on grafeen oma omaduste materjalile ülekandmise võime poolest kordades parem.
,,Nanotorud on erakordselt tugevad, kuid nende mehaanilised omadused on kasutud kui need ei kandu üle komposiitmaterjalile,” seletas Koratkar. ,,Ahel on vaid nii tugev kui tugev on selle nõrgim lüli. Ning kui see lüli on nanotoru ning polümeeri vahel, siis see määrabki materjali üleüldised mehaanilised omadused. Ei loe kui tugevad või jäigad antud nanotorud on, kui ühendus polümeeriga on nõrk siis annab see kergesti järele.”
Koratkari sõnul on grafeenil süsinik-nanotorude ees 3 eelist. Esiteks grafeeni krobeline ja kortsuline pind, mida põhjustab pinnadefektide suur hulk. Need defektid tekivad Rensselaeri teadlaste kasutatud soojusliku kihtkoorumismeetodi tõttu, mida on vaja grafiidist suuremas koguses grafeeni eraldamisel. Need ‘kortsulised’ pinnad sidestuvad erakordselt hästi seda ümbritseva polümeeri pinnaga, mis aitab suurendada pindadevahelise kandevõime ühtlast jagunemist.
Teiseks eeliseks on grafeeni pindmine kiht. Õhukese plaadina on grafeen võrreldes süsinik-nanotorudega polümeermaterjaliga palju suuremas kontaktis. Seda seetõttu et polümeeri ahelad ei suuda nanotorude sisemusse tungida, kuid nii grafeenplaadi pealmine kui ka alumine külg on polümeermaterjaliga tihedas kontaktis.
Kolmandaks eeliseks on geomeetria. Kui mikromõrad komposiitmaterjalides jõuavad kahedimensionaalse grafeenlehekeseni siis nende trajektoor kõverdub või on need sunnitud kalduma ning ümber plaadi minema. See protsess aitab mõra tekke põhjustanud energial neelduda. Võrreldes süsinik-nanotorudega on see omadus kahedimensionaalsetel plaadikestel palju efektiivsem.
Atmosfääri- ja kosmose- ning tuuleenergiatööstused otsivad pidevalt uusi materjale tugevamate ja vastupidavamate rootorite ning tuuleturbiinide labade valmistamiseks. Grafeen on selleks paljutõotav materjal sest seda saab valmistada grafiidist, mis on suurtes kogustes ja mitte eriti kalli hinnaga saadaval, mistõttu grafeeni masstootmine saaks olema palju vähem kulukas kui näiteks nanotorude valmistamine.
Artiklite kaasautoriteks olid Mohammed A. Rafiee, Javad Rafiee, Iti Srivastava ning professor Zhong-Zhen Yu uurimisgrupp Pekingi Keemiatehnoloogia Ülikoolist.
Lisaks:
Teadusartikkel 1 “Enhanced Mechanical Properties of Nanocomposites at Low Graphene Content”
Teadusartikkel 2 “Fracture and Fatigue in Graphene Nanocomposites”
Teadusartikkel 3 “Buckling Resistant Graphene Nanocomposites”
Leave a Reply