美學者運用「白色石墨烯」夾層,大幅提升陶瓷材料的延展性和強度

作者 | 發布日期 2018 年 01 月 21 日 11:00 | 分類 尖端科技 , 材料 follow us in feedly

作為應用材料,陶瓷的主要缺點便是在高壓力或高應變情況下容易破碎,但萊斯大學(Rice University)的一項研究正好克服了這個限制,提高了延展性和韌性的同時也提高了強度性能。



Phys.org 報導,這項研究已經發表在美國化學學會出版的《應用材料和接口》(ACS Applied Materials and Interfaces)期刊。

研究作者、萊斯大學民用與環境工程助理教授 Rouzbeh Shahsavari 指出,在兩層矽酸鈣間加入超薄的六角形氮化硼(hexagonal boron nitride,hBN)將會形成一個有趣的雙層晶體,具有多功能的特殊性質,能夠製成一種堅固耐用而且耐熱、耐輻射的陶瓷(ceramic)材料。

根據 Shahsavari 的計算,插入二維 hBN 層的矽酸鈣將會非常堅固,甚至能當作電廠等核應用的屏蔽體使用,除了適用核工業,這種材料也能用在建築、原油、天然氣、航空航天和其他需要耐火材料或高性能複合材料的領域。

由於二維 hBN 的外型是六邊形互相連結形成一個超薄平面,看上去與石墨烯非常像,因此又稱為「白色石墨烯」;但與石墨烯不同的是,hBN 主要組成並非碳原子,而是由硼和氮交替組成。

傳統上用於加強的填充物(fillers)與主體材料經常是呈現鬆散連接,但放置在雙層矽酸鈣間的 hBN 則成為了整體系統的一部分,Shahsavari 認為,這項研究顯示了在最小限度的調整下為陶瓷材料加固的可能性。

團隊用於研究的陶瓷形式主要為「雪矽鈣石」(tobermorite),為了瞭解與原有材料的差異,團隊在研究中也對水平堆疊的雪矽鈣石與插入 hBN 的模型進行了實際測試,結果顯示複合材料比起原有的雪矽鈣石強度高出 3 倍、硬度高出 25%。

當材料被壓縮時,一般水平堆疊的雪矽鈣石展現出約 10GPa 的降伏強度(yield strength),降伏應力(yield strain)為 7%,而複合材料則顯示出 25GPa 的降伏強度,以及 20% 的降伏應力。

Shahsavari 表示,與纖維、奈米碳管(CNT)等常見一維填充物相比,hBN 這樣的二維材料是雙面的,因此每單位質量的表面積也是兩倍,「對於附著到周遭基質和加固效果來說非常完美。」

Shahsavari 認為,對於那些高性能陶瓷和其他多功能複合材料由下而上的設計,其他二維材料如二硫化鉬(molybdenum disulfide)、二硒化鈮(niobium diselenide)和層狀雙氫氧化合物(LDH)也可能可以適用。

(首圖來源:萊斯大學