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從“壞拉鏈理論”解釋碳纖維的聚合成纖問題!

文章出處:聯莊科技有限公司 人氣:-發表時間:2017-05-15

科學家預測:材料界的強力支柱——碳纖維還可以表現出更好的性能。他們發現,在制造過程中碳纖維聚合鏈有對準不良的傾向,類似于拉鏈在咬合過程中的錯位,是造成其性能缺陷的主要原因。

 

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萊斯大學理論物理學家Boris Yakobson的實驗室已經開始著手分析這些被忽視的缺陷,并提出了如何消除這些缺陷的猜想。他們的成果將于本月發表在期刊Advanced Materials上。

早在19世紀,托馬斯·愛迪生就曾經將碳纖維做成細絲作為他燈泡原型的電熱絲。然而,正式的工業發展直到19世紀50年代末才開始。碳纖維高強、柔韌、導電、耐熱并且具有化學反應不活潑的特性,已經應用于網球拍、自行車架、飛機以及許多其他產品的制造中。此外,碳纖維還可以紡絲編織成輕體量、強韌的織物。

Evgeni Penev,Yakobson實驗室的研究科學家,同時也是論文的共同作者,說:“盡管碳纖維的相關研究已經得到了很好的完善,并且相對成熟,但在低維納米碳這個新領域,很多迅速發展的新理論仍然沒能很好地開發和利用?!?/p>

該團隊通過建模來推斷使用最多的碳纖維在制造過程中缺陷的產生,包括加熱聚丙烯腈(PAN)的過程。在1500℃下,除了強鍵合的碳原子,其他物質都會被燒掉,最終將它們變成基本的石墨烯納米帶,并且其特殊的排列方式可以防止納米帶輕易地嵌入到石墨烯典型的蜂窩晶格中。

材料科學和納米工程與化學教授Yakobson說,他在閱讀關于D環的RNA轉錄的生物學論文時,產生了這種纖維合成中的“錯誤輸入”的想法。他認為這種缺陷在PAN制作碳纖維的過程中也是不可避免的。 “在這之后我們進行了很多工作來確定它們在纖維環境中的位置和對機械性能的影響?!盰akobson說。

分子動力學模擬顯示,錯配可以打開各個聚合物鏈并重新形成D環。這些環成為限制碳纖維性能的主要因素;Yakobson和他的團隊將其減少了四分之一,并有效地將理論估計的纖維強度降低至更接近實驗觀察到的強度。

論文的第一作者,研究生Nitant Gupta說:“對我來說,最有趣的部分是意識到D環缺陷有可能使得Burgers矢量變得非常大,這在三維材料中幾乎是不可能的,甚至是一個荒謬的想法?!盉urgers矢量用來衡量晶格位錯引起的強度扭曲。

令人驚訝的是,研究人員發現,當PAN鏈與纖維軸不對準時,盡管存在D環,但纖維的強度仍舊有增加。

研究人員還確定通過石墨烯納米帶而不是PAN,就可以避免D環的產生。根據模擬,D環是最可能引發裂紋的地方,因此盡可能多地消除它們將有益于纖維強度的提升。

Penev說:“除了細節上的工作,我們希望這項工作能在原子論建模層面上對相關領域都有所幫助。我們希望這將為那些在生產一線工作的人提供更多的價值,最終使更廣泛的大眾受益。

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