La faible interaction interfaciale entre les nanocharges et les nanocomposites matriciels au cours de l'ingénierie des matériaux a entraîné des effets de renforcement des nanocharges bien inférieurs aux valeurs théoriquement prédites. Dans un nouveau rapport maintenant publié le Avancées scientifiques , Chanson de Ningning, et une équipe de scientifiques du département de génie mécanique et aérospatial de l'Université de Virginie, NOUS., a démontré le carbure de bore enveloppé de graphène (B 4 C) nanofils (B 4 C-NWs@graphene). Les constructions ont permis une dispersion exceptionnelle des nanofils dans la matrice et ont contribué à une liaison nanofil-matrice exceptionnelle. Le B 4 C-NWs@graphene construit des composites époxy renforcés et a montré une amélioration simultanée de la résistance, module d'élasticité et ductilité. En utilisant le graphène pour personnaliser les interfaces composites, Song et al. utilisé efficacement les nanocharges pour doubler l'efficacité du transfert de charge. Ils ont utilisé des simulations de dynamique moléculaire pour débloquer le mécanisme d'auto-assemblage par cisaillement de la construction graphène/nanofil. La technique à faible coût ouvre une nouvelle voie pour développer des nanocomposites solides et résistants pour améliorer les interfaces et permettre un transfert efficace de charge élevée.

Nanofillers – nanofils et nanoparticules

Les nanocharges, y compris les nanofils et les nanoparticules, peuvent avoir des surfaces spécifiques beaucoup plus grandes que les microcharges. En théorie, ils offrent donc des renforts idéaux pour des améliorations exceptionnelles des articulations en termes de résistance et de ténacité. Cependant, en science et génie des matériaux, les nanocomposites restent à remplir cette promesse en raison de la faible liaison interfaciale entre les charges et la matrice. Carbure de bore (B 4 C) est le troisième matériau le plus dur connu dans la nature, souvent acclamé pour ses propriétés physiques et mécaniques essentielles. Cependant, lorsqu'ils sont employés comme renforts dans des nanocomposites, le B 4 C nanofils (B 4 C-NWs) seuls ne montrent pas d'effet de renforcement en raison de sa faible dispersion dans la matrice et en raison de la faible liaison interfaciale. Par conséquent, il est important de concevoir des interfaces nanocomposites pour réaliser leur plein potentiel. Parmi les nombreuses approches en jeu et précédemment explorées en science des matériaux et nanomatériaux, Song et al. rapporter une technique d'ingénierie d'interface graphène. Dans ce mécanisme, ils ont collé B 4 C-NW avec du graphène pour améliorer exceptionnellement la résistance et la ténacité du matériau résultant. Ils ont converti les feuilles de graphène de haute qualité en graphite et les ont simultanément enroulées sur le B 4 C-NW par cisaillement pour obtenir le B 4 Constructions C-NWs@graphene.

Song et al. a d'abord grandi B 4 C-NWS uniformément sur la surface d'un tissu en fibre de carbone grâce à un processus vapeur-liquide-solide typique, où le coton servait de source de carbone, tandis que les poudres de bore amorphe servaient de source de bore, aux côtés d'un catalyseur. L'équipe a séparé le B 4 C-NWS du substrat via des vibrations ultrasonores et a étudié les états de liaison chimique dans le matériau à l'aide de la spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) pour confirmer la production de B de haute qualité 4 C-NW. Pour ensuite synthétiser directement et auto-assembler le B 4 C-NWs@graphene, Song et al. poudres de graphite mélangées et B 4 C-NW. Puis en utilisant la microscopie électronique à transmission (MET), ils ont montré comment le graphite était exfolié avec succès en graphène, tandis que B 4 Le C-NWS est resté intact dans le mélange. Au cours de la procédure de synthèse, les feuilles de graphène simultanément auto-assemblées sur le B 4 surface C-NO. En utilisant à la fois l'inspection par microscopie électronique à transmission (HRTEM) à haute résolution et le modèle de transformée de Fourier rapide (FFT) correspondant, Song et al. auto-assemblage confirmé de graphène sur le B 4 C-NW de haute qualité, tout en conservant des fonctionnalités monocouches et multicouches.

Caractériser le B 4 Constructions C-NWs@graphene

Les scientifiques ont dispersé le B4C-NWs@graphene sur des nanocomposites époxy et ont effectué des tests de flexion en trois points sur les composites et les matériaux époxy. Par rapport aux échantillons de résine époxy brute, le B 4 Les nanocomposites C-NWs@graphene ont subi une déformation plastique plus importante avant rupture. Les résultats ont montré comment le graphène a renforcé le lien entre le B 4 C-NWs et la matrice époxy comme agent interfacial, tandis qu'une série de mécanisme qui a facilité la flexion a contribué conjointement à l'amélioration de la ténacité du B 4 Composites C-NWs@graphene. De cette façon, le graphène a permis de meilleures capacités de dispersion pour les nanocharges dans la matrice, offrant un transfert de charge amélioré et une amplification des articulations en termes de résistance et de ténacité. Pour mieux comprendre la qualité de dispersion de B 4 C-NWs@graphene construits, Song et al. ont calculé le module d'élasticité théorique des composites. Les résultats ont montré que les composites conservaient une résistance et une ténacité exceptionnelles par rapport aux autres composites rapportés dans la littérature.

Simulations de dynamique moléculaire

L'équipe a mené des simulations de dynamique moléculaire (MD) pour d'abord comprendre comment les feuilles de graphène ont modifié le B 4 Surface C-NW et comment le graphène a permis la dispersion de B 4 C-NW ainsi qu'un transfert de charge amélioré dans les composites. Ils ont ensuite effectué des simulations MD pour tester le processus d'extraction des nanocharges d'une matrice époxy afin de comprendre la force d'adhérence entre les nanocharges et la matrice. Les simulations MD sont en accord avec les observations expérimentales et les détails découverts de la barrière d'interaction renforcée du graphène B sur mesure 4 C-NW pour améliorer les performances de dispersion. Song et al. effectué des simulations pour étudier le processus d'extraction des nanocharges de la matrice époxy et calculé l'énergie d'interaction pour comprendre la force d'adhérence entre les nanocharges et la matrice. Le B 4 C-NWs@graphene a montré une énergie d'interaction plus élevée avec l'époxyde et une force de crête d'arrachement plus importante en raison de la présence de graphène, ce qui a rendu la nanocharge avec une surface plus élevée. En outre, le plus grand nombre d'atomes en interaction et les géométries complexes du composite ont amélioré la résistance interfaciale et l'efficacité du transfert de charge.

De cette façon, Ningning Song et ses collègues ont utilisé des feuilles de graphène pour personnaliser l'interface entre B 4 C-NW et matériaux époxy. L'équipe a synthétisé le matériau nanocomposite (B 4 C-NWs@graphene) par cisaillement mélangeant des poudres de graphène et B 4 C-NW dans de l'eau diluée. La suspension résultante a montré une dispersion homogène dans l'eau et dans les matériaux époxy pour une efficacité de transfert de charge améliorée, tout en améliorant les performances mécaniques des composites. Cette technique d'enveloppement de graphène peu coûteuse et efficace ouvrira de nouvelles voies pour développer des nanocomposites solides et résistants, avec des applications en médecine, pharmacologie et délivrance de médicaments, permettant aux nanoparticules enveloppées de graphène de surmonter les pompes d'efflux et la résistance aux médicaments.

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