使用石墨烯定制纳米复合材料界面以实现高强度和韧性

在材料工程过程中，纳米填料和基体纳米复合材料之间的界面相互作用较弱，导致纳米填料的增强作用远低于理论预测值。在现在发表在《科学进展》上的新报告中，宋宁宁和美国弗吉尼亚大学机械与航空工程系的一组科学家展示了石墨烯包裹的碳化硼(B 4 C)纳米线(B 4 C -NWs @ graphene)。这些结构使纳米线在基质中的分散性得以增强，并促进了最高级的纳米线-基质键合。B 4C-NWs @ graphene构建增强的环氧复合材料，并显示出强度，弹性模量和延展性的同时增强。通过使用石墨烯来定制复合界面，Song等人。有效地使用了纳米填料，使载荷传递效率提高了两倍。他们使用分子动力学模拟来解锁石墨烯/纳米线结构的剪切混合自组装机制。低成本技术为开发强韧的纳米复合材料以改善界面并实现高效的高负荷转移开辟了一条新途径。

纳米填料–纳米线和纳米粒子

包含纳米线和纳米颗粒的纳米填料比微填料具有更大的比表面积。因此，从理论上讲，它们提供了理想的增强材料，从而在强度和韧性方面获得了卓越的结合。然而，在材料科学和工程中，由于填料与基体之间的弱界面结合，纳米复合材料仍然可以满足这一要求。碳化硼(B 4 C)是自然界已知的第三种最硬的材料，通常因其关键的物理和机械性能而广受赞誉。但是，当用作纳米复合材料的增强材料时，B 4 C纳米线(B 4由于C-NWs在基体中的分散性较弱以及界面键合较弱，因此单独未显示出增强作用。因此，设计纳米复合材料界面以发挥其全部潜力非常重要。多数人在玩的方法和先前探测在材料科学和纳米材料，宋等人。报告了石墨烯界面工程技术。通过这种机理，他们用石墨烯粘合了B 4 C-NW，以异常地增强所得材料的强度和韧性。他们将高质量的石墨烯片材转化为石墨，然后通过剪切混合将其包裹在B 4 C-NWs上，以获得B 4 C-NWs @ graphene结构。

宋等。首先通过典型的气液固过程在碳纤维布的表面上均匀地生长B 4 C-NWS ，其中棉充当碳源，而无定形硼粉与催化剂一起充当硼源。团队分离的乙4使用从经由超声波振动衬底C-NWS并研究在材料中的化学结合状态的X射线光电子能谱(XPS)，以确认生产高品质的B的4 C-纳米线。为了直接合成和自组装B 4 C-NWs @ graphene，Song等。混合石墨粉和B 4 C-NWs。然后使用透射电子显微镜(TEM)，他们显示了石墨如何成功地剥离为石墨烯，而B 4 C-NWS在混合物中仍保持完整。在合成过程中，石墨烯片材同时自组装到B 4 C-NWs表面上。Song等人同时使用高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)检查和相应的快速傅里叶变换(FFT)模式。证实了石墨烯在B 4 C-NW上的自组装质量很高，同时保持了单层和多层特征。

科学家将B4C-NWs @ graphene分散到环氧纳米复合材料上，并对复合材料和环氧材料进行了三点弯曲测试。与原始环氧树脂样品相比，B 4 C-NWs @石墨烯纳米复合材料在断裂之前经历了较大的塑性变形。结果表明，石墨烯是如何增强B 4 C-NWs与环氧基体之间作为界面剂的键合的，而一系列促进弯曲的机制共同促进了B 4 C-NWs @ graphene复合材料的韧性。以这种方式，石墨烯允许纳米填料在基质中具有更好的分散能力，从而改善了载荷转移，并在强度和韧性方面共同提高了强度。为了更好地了解B的分散质量4 C-NWs @ graphene结构，Song等。计算了复合材料的理论弹性模量。结果表明，与文献中报道的其他复合材料相比，该复合材料保留了优异的强度和韧性。

该团队进行了分子动力学(MD)模拟，以首先了解石墨烯片如何编辑B 4 C-NW表面以及石墨烯如何使B 4 C-NW分散并增强复合材料中的载荷传递。然后，他们进行了MD模拟，以测试纳米填料从环氧基质中的拉出过程，以了解纳米填料与基质之间的粘合强度。MD模拟与实验观察结果一致，并发现了石墨烯定制的B 4增强的相互作用势垒的细节。C-NW改善色散性能。宋等。进行模拟以研究纳米填料从环氧基质中的拉出过程，并计算相互作用能以了解纳米填料与基质之间的粘合强度。由于石墨烯的存在，B 4 C-NWs @石墨烯表现出更高的与环氧的相互作用能和更大的拔出峰值力，这使得纳米填料具有更高的表面积。此外，复合材料中大量相互作用的原子和复杂的几何形状增强了界面强度和载荷转移效率。

这样，Ningning Song及其同事使用石墨烯片来定制B 4 C-NW和环氧材料之间的界面。该小组通过在稀水中剪切混合石墨烯粉末和B 4 C-NWs来合成纳米复合材料(B 4 C-NWs @ graphene)。所得的悬浮液在水和环氧材料中显示出均匀的分散性，从而提高了负载转移效率，同时改善了复合材料的机械性能。这种低成本，高效的石墨烯包裹技术将为开发强韧的纳米复合材料开辟新途径，并将其应用于医学，药理学和药物输送领域，从而使石墨烯 包裹纳米颗粒，以克服外排泵和耐药性。

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