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纳米注入的陶瓷可以报告自身的健康状况

2019-02-12 18:20:17来源:

在弹性应变下导电性更强且在塑性应变下导电性更低的陶瓷可以导致嵌入到建筑物,桥梁和飞机等结构中的新一代传感器能够监测其自身的健康状况。

直到莱斯大学的土木与环境工程和材料科学与纳米工程助理教授Rouzbeh Shahsavari和他的同事们模拟了一种新型的二维化合物 - 石墨烯 - 氮化硼之前,两种类型菌株所产生的电气差异并不明显。 (GBN)。

在弹性应变下,像橡皮筋一样拉伸的材料的内部结构不会改变。但是塑性应变下的相同材料 - 在这种情况下通过将其拉伸到足够的弹性以使其变形 - 使其晶格扭曲变形。事实证明,GBN在每种情况下都显示出不同的电气特性,使其成为结构传感器的理想选择。

Shahsavari已经确定六角形氮化硼 - 又名白色石墨烯 - 可以改善陶瓷的性能。他和他的同事现在发现,添加石墨烯使它们更强大,更通用,同时具有令人惊讶的电性能。

神奇之处在于二维碳基石墨烯和白色石墨烯能够以各种方式相互结合,具体取决于它们的相对浓度。虽然石墨烯和白色石墨烯自然地避免水,导致它们结块,但是在陶瓷制造过程中,组合的纳米片很容易分散在浆料中。

根据作者的理论模型,所得到的陶瓷将成为具有增强的弹性,强度和延展性的可调谐半导体。

由Shahsavari和Asghar Habibnejad Korayem领导的研究,伊朗科技大学结构工程助理教授和澳大利亚墨尔本莫纳什大学的研究员,出现在美国化学学会期刊应用材料与接口杂志上。

石墨烯是一种经过充分研究的碳形式,因其缺乏带隙而闻名 - 电子必须跳跃以使材料导电。没有带隙,石墨烯是金属导体。白色石墨烯具有宽带隙,是绝缘体。因此,2D化合物中石墨烯的比例越大,材料的导电性越大。

以足够高的浓度混入陶瓷中,被称为GBN的2D化合物将形成与基质中的碳量允许的导电网络。这使得整个复合材料具有可调谐的带隙,可以适用于各种电气应用。

“将石墨烯和氮化硼等二维材料融合在陶瓷和水泥中,可以实现石墨烯或氮化硼本身无法实现的新成分和性能,”Shahsavari说。

该团队使用密度泛函理论计算来模拟与雪硅钙石混合的二维化合物的变化,硅藻土是一种常用作混凝土水泥的硅酸钙水合物材料。他们确定陶瓷中形成的氧 - 硼键将其转变为p型半导体。

Tobermorite本身具有约4.5电子伏特的大带隙,但研究人员计算出当与GBN纳米片相等的石墨烯和白色石墨烯混合时,该间隙将缩小至0.624电子伏特。

当在弹性状态下变形时,陶瓷的带隙下降,使材料更具导电性,但是当拉伸超过弹性时 - 即在塑性状态下 - 它变得不那么导电。研究人员表示,这种转变使其成为自我感知和结构健康监测应用的有前途的材料。

研究人员建议使用二硫化钼,二硒化铌或层状双氢氧化物的其他二维片材可为可调谐多功能复合材料的自下而上设计提供类似的机会。“这将为水泥和混凝土加固提供一个基本平台,尽可能小的尺寸,”Shahsavari说。