纳米陶瓷可以报告其自身的健康状况。

纳米陶瓷可以报告其自身的健康状况。

一种在弹性应变下导电性更强,而在塑性应变下导电性更低的陶瓷可能会导致新一代传感器嵌入建筑物、桥梁和飞机等结构中,从而能够监测自身的健康状况。

在赖斯大学的土木与环境工程助理教授、材料科学与纳米工程助理教授鲁兹贝沙沙萨瓦里和他的同事们模拟出一种新的二维化合物石墨烯氮化硼(GBN)之前,这两种类型的应变产生的电性差异并不明显。

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。但在这种情况下,同样的材料在塑性应变下,将其拉伸到足够远的弹性之外,使其晶体晶格变形。结果表明,gbn在每种情况下都显示出不同的电性能,使其成为一种有价值的结构传感器。

沙沙瓦里已经确定六方氮化硼,也就是白色石墨烯可以改善陶瓷的性能。他和他的同事们现在发现,添加石墨烯使他们更强大,更多才多艺,连同他们惊人的电性能。

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结合在一起,这取决于它们的相对浓度。尽管石墨烯和白色石墨烯自然避免水,导致它们结块,但在陶瓷制造过程中,结合在一起的纳米片很容易分散在泥浆中。

根据作者的理论模型,由此产生的陶瓷将成为具有增强弹性、强度和延展性的可调谐半导体。

这项由伊朗科技大学结构工程助理教授、澳大利亚墨尔本莫纳什大学研究员沙沙沙瓦里(Shahsavari)和阿斯加哈比涅贾德科雷姆(Asghar Habibnejad Korayem)领导的研究发表在美国化学学会期刊《应用材料与界面》(Applied Materials and Interfaces)上。

石墨烯是一种研究得很好的碳形式,因其没有带隙而闻名。电子必须跃迁才能使材料导电。石墨烯没有带隙,是一种金属导体。白色石墨烯具有宽的带隙,是一种绝缘体。因此,石墨烯在二维化合物中的比例越大,材料的导电性就越强。

混合到足够高浓度的陶瓷中,被称为gbn的2d化合物将形成一个在基体中碳含量允许的导电网络。这使得整个复合材料有一个可调的带隙,可以应用于各种电气应用。

沙沙瓦里说:“将石墨烯和氮化硼等二维材料融合到陶瓷和水泥中,可以获得石墨烯或氮化硼本身无法达到的新成分和性能。”

研究小组利用密度泛函理论计算,模拟了掺有托伯莫来石(一种通常用作混凝土水泥的水化硅酸钙材料)的二维化合物的变化。他们确定了在陶瓷中形成的氧硼键会把它变成p型半导体。

托伯莫来石本身具有约4.5电子伏的大带隙,但研究人员计算出,当与等份石墨烯和白色石墨烯的GBN纳米片混合时,该带隙将缩小至0.624电子伏。

当在弹性状态下应变时,陶瓷的带隙减小,使材料更具导电性,但当超过弹性时,也就是说,在塑性状态下,其导电性变差。研究人员说,这种开关使其成为一种有前景的材料,用于自我感应和结构健康监测的应用。

研究人员建议,其他含有二硫化钼、铌二硒或层状双氢氧化物的2d片材可能为自下而上设计可调谐多功能复合材料提供类似的机会。沙沙瓦里说:“这将为最小尺寸的水泥和混凝土钢筋提供一个基础平台。”

论文的合著者是伊朗科技大学的研究生EhsanHosseini和MohammadZakertabrizi。国家科学基金会和澳大利亚研究理事会支持这项研究。

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