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美學(xué)者運(yùn)用“白色石墨烯”夾層，大幅提升陶瓷材料的延展性和強(qiáng)度

2018-01-24 10:01:08 作者：本網(wǎng)整理來(lái)源：Technews科技新報(bào)-搜狐科技分享至：

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

Phys.org 報(bào)導(dǎo)，這項(xiàng)研究已經(jīng)發(fā)布在美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)出版的《應(yīng)用材料和接口》（ACS Applied Materials and Interfaces）期刊。

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

根據(jù) Shahsavari 的計(jì)算，插入二維 hBN 層的硅酸鈣將會(huì)非常堅(jiān)固，甚至能當(dāng)作電廠等核應(yīng)用的屏蔽體使用，除了適用核工業(yè)，這種材料也能用在建筑、原油、天然氣、航空航天和其他需要耐火材料或高性能復(fù)合材料的領(lǐng)域。

由于二維 hBN 的外型是六邊形互相連結(jié)形成一個(gè)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 主要組成并非碳原子，而是由硼和氮交替組成。

傳統(tǒng)上用于加強(qiáng)的填充物（fillers）與主體材料經(jīng)常是呈現(xiàn)松散連接，但放置在雙層硅酸鈣間的 hBN 則成為了整體系統(tǒng)的一部分，Shahsavari 認(rèn)為，這項(xiàng)研究顯示了在最小限度的調(diào)整下為陶瓷材料加固的可能性。

團(tuán)隊(duì)用于研究的陶瓷形式主要為“雪硅鈣石”（tobermorite），為了了解與原有材料的差異，團(tuán)隊(duì)在研究中也對(duì)水平堆疊的雪硅鈣石與插入 hBN 的模型進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，結(jié)果顯示復(fù)合材料比起原有的雪硅鈣石強(qiáng)度高出 3 倍、硬度高出 25%。

當(dāng)材料被壓縮時(shí)，一般水平堆疊的雪硅鈣石展現(xiàn)出約 10GPa 的降伏強(qiáng)度（yield strength），降伏應(yīng)力（yield strain）為 7%，而復(fù)合材料則顯示出 25GPa 的降伏強(qiáng)度，以及 20% 的降伏應(yīng)力。

Shahsavari 表示，與纖維、納米碳管（CNT）等常見(jiàn)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(zhì)量的表面積也是兩倍，“對(duì)于附著到周遭基質(zhì)和加固效果來(lái)說(shuō)非常完美。”

Shahsavari 認(rèn)為，對(duì)于那些高性能陶瓷和其他多功能復(fù)合材料由下而上的設(shè)計(jì)，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。

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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