p (PhysOrg.com) - Três novos estudos de pesquisadores do Rensselaer Polytechnic Institute ilustram por que o grafeno deve ser o nanomaterial de escolha para fortalecer os materiais compostos usados ​​em tudo, desde turbinas eólicas a asas de aeronaves. p Compósitos infundidos com grafeno são mais fortes, mais duro, e menos propensos a falhas do que compósitos infundidos com nanotubos de carbono ou outras nanopartículas, de acordo com os estudos. Isso significa grafeno, uma folha de átomos de carbono com a espessura de um átomo, organizada como uma cerca de arame em nanoescala, poderia ser um facilitador chave no desenvolvimento de materiais nanocompósitos de próxima geração.

p “Trabalho com nanocompósitos há 10 anos, e o grafeno é o melhor que já vi em termos de propriedades mecânicas, ”Disse Nikhil Koratkar, professor do Departamento de Mecânica, Aeroespacial, e Engenharia Nuclear em Rensselaer, quem liderou os estudos. “O grafeno é muito superior aos nanotubos de carbono ou qualquer outro nanofiller conhecido na transferência de sua resistência excepcional e propriedades mecânicas para um material hospedeiro.”

p Os resultados dos estudos de Koratkar são detalhados em três artigos publicados recentemente:"Fracture and Fatigue in Graphene Nanocomposites, " publicado em Pequena ; “Propriedades mecânicas aprimoradas de nanocompósitos com baixo teor de grafeno, " publicado em ACS Nano ; e "Nanocompósitos de grafeno resistentes à flambagem, ”Publicado no jornal Letras de Física Aplicada.

p Compostos avançados são cada vez mais um componente-chave no projeto de novas pás de moinhos de vento, aeronave, e outras aplicações que requerem ultraleve, materiais de alta resistência. Os materiais compostos de epóxi são extremamente leves, mas pode ser quebradiço e sujeito a fraturas. A equipe de Koratkar infundiu os compostos avançados com pilhas, ou plaquetas, de grafeno. Cada pilha tem apenas alguns nanômetros de espessura. A equipe de pesquisa também infundiu compósitos de epóxi com nanotubos de carbono.

p Materiais epóxi infundidos com grafeno exibiram desempenho muito superior. Na verdade, adicionar grafeno igual a 0,1 por cento do peso do composto aumentou a resistência e a rigidez do material no mesmo grau que adicionar nanotubos de carbono igual a 1 por cento do peso do composto. Este ganho, na medida de uma ordem de magnitude, destaca a promessa do grafeno, Koratkar disse. Os enchimentos de grafeno também aumentaram a resistência do compósito à propagação de trincas por fadiga em quase duas ordens de magnitude, em comparação com o material epóxi da linha de base.

p Embora o grafeno e os nanotubos de carbono sejam quase idênticos em sua composição química e propriedades mecânicas, o grafeno é muito melhor do que os nanotubos de carbono para emprestar seus atributos a um material com o qual é misturado.

p “Os nanotubos são incrivelmente fortes, mas eles são de pouca utilidade mecanicamente se não transferem suas propriedades para o composto, ”Disse Koratkar. “Uma corrente é tão forte quanto seu elo mais fraco, e se essa ligação for entre o nanotubo e o polímero, então é isso que determina as propriedades mecânicas gerais. Não importa se os nanotubos são superfortes ou super rígidos, se a interface com o polímero for fraca, essa interface vai falhar. ”

p Koratkar disse que o grafeno tem três vantagens distintas sobre os nanotubos de carbono. A primeira vantagem é a textura da superfície áspera e enrugada do grafeno, causado por uma densidade muito alta de defeitos superficiais. Esses defeitos são resultado do processo de esfoliação térmica que a equipe de pesquisa Rensselaer usou para fabricar grandes quantidades de grafeno a partir do grafite. Essas superfícies "enrugadas" se encaixam extremamente bem com o material de polímero circundante, ajudando a aumentar a transferência de carga interfacial entre o grafeno e o material hospedeiro.

p A segunda vantagem é a área de superfície. Como uma folha plana, o grafeno se beneficia de um contato consideravelmente maior com o material polimérico do que os nanotubos de carbono em forma de tubo. Isso ocorre porque as cadeias de polímero são incapazes de entrar no interior dos nanotubos, mas ambas as superfícies superior e inferior da folha de grafeno podem estar em contato próximo com a matriz polimérica.

p O terceiro benefício é a geometria. Quando as microfissuras na estrutura composta encontram uma folha de grafeno bidimensional, eles são desviados, ou forçado a inclinar e torcer o lençol. Esse processo ajuda a absorver a energia responsável pela propagação da trinca. Os processos de deflexão de fissuras são muito mais eficazes para folhas bidimensionais com uma alta proporção de aspecto, como o grafeno, em comparação com nanotubos unidimensionais.

p Koratkar disse que as indústrias aeroespacial e de energia eólica estão buscando novos materiais para projetar mais resistentes, rotor de vida mais longa e pás de turbinas eólicas. Seu grupo de pesquisa planeja investigar mais a fundo como o grafeno pode beneficiar esse objetivo. O grafeno mostra uma grande promessa para isso porque pode ser produzido a partir do grafite, que está disponível em grandes quantidades e a um custo relativamente baixo, ele disse, o que significa que a produção em massa de grafeno é provavelmente muito mais econômica do que os nanotubos.

p Os co-autores dos três artigos incluem os alunos de graduação em engenharia mecânica de Rensselaer, Mohammed A. Rafiee, Javad Rafiee, e Iti Srivastava; juntamente com o grupo do Professor Zhong-Zhen Yu na Universidade de Tecnologia Química de Pequim.