Ein Team von Forschern des FAMU-FSU College of Engineering am High-Performance Materials Institute untersucht die thermischen Grenzen fortschrittlicher Nanomaterialien, Arbeiten, die einen direkten Einfluss auf Arzneimittelverabreichungssysteme, Elektronik, Raumfahrt und andere Anwendungen haben könnten.
Das Forschungsteam unter der Leitung von Rebekah Sweat, Assistenzprofessorin für Industrie- und Fertigungstechnik, schloss die allererste Studie darüber ab, wie gereinigte Bornitrid-Nanoröhren bei extremen Temperaturen in inerten Umgebungen stabil bleiben.
Ihre Arbeit wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Angewandte Nanomaterialien.
Bornitrid-Nanoröhren oder BNNTs sind stärker und widerstandsfähiger gegenüber hohen Temperaturen als Kohlenstoff-Nanoröhren. Wie ihre Verwandten aus Kohlenstoff sind sie Strukturen, die im Nanometerbereich gemessen werden – eine Länge, die einem Milliardstel Meter entspricht.
Die Herstellung dieser Materialien ist jedoch eine Herausforderung. Aktuelle Methoden für BNNTs sind neuer und produzieren noch nicht die gleichen Mengen wie Methoden, die für Kohlenstoffnanoröhren entwickelt wurden. Deshalb ist es wichtig, mehr darüber zu erfahren, wie sie funktionieren.
Die Forscher fanden heraus, dass BNNTs bei bis zu 1800 °C in einer inerten Umgebung, der chemisch inaktiven Atmosphäre, in der sie hergestellt werden, vollkommen stabil sind. Sie erfuhren auch, dass BNNTs kurzzeitig Temperaturen von 2200 °C standhalten können, ohne die mechanischen Eigenschaften zu verlieren, die sie so effektiv machen.
„Bei dieser Forschung geht es darum, eine Eigenschaft aufzudecken, die für die Zukunft unglaublich nützlich ist“, sagte Sweat. „Wir haben ein solideres Wissen darüber, wie BNNTs funktionieren, wann und wie sie thermisch versagen – denn alle Materialien haben Einschränkungen. Wir haben die Art und Weise, wie wir diese Arten von Verbundwerkstoffen herstellen, geändert, um ihre Eigenschaften besser zu nutzen.“
Potenzielle Anwendungen für diese leichten, starken Verbundwerkstoffe sind zahlreich. Alles, was heiß wird, wie eine Turbine oder ein Motor, könnte sie verwenden, um in einer Hochtemperaturumgebung zu funktionieren. Sie sind wärmeleitend, d. h. sie verteilen Wärme schnell, und ihre mechanische Stabilität bietet strukturelle Verstärkung.
BNNTs sind besonders vielversprechend für ihren Einsatz in der Weltraumforschung. Ihre Fähigkeit, Wärme zu leiten, elektrischen Strom zu isolieren und Strahlung zu blockieren, könnte in Raumfahrzeugen oder Raumfahrzeugen beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre genutzt werden. Dieselben Eigenschaften machen sie auch für Hochleistungselektronik nützlich.
„Das Verständnis des Verhaltens dieser Nanoröhren bei hohen Temperaturen ist entscheidend für die Schaffung von Materialien, die extremen Bedingungen sowohl bei der Herstellung als auch bei ihrer endgültigen Verwendung standhalten können“, sagte der Hauptautor und Doktorand Mehul Tank. „Wenn wir besser verstehen, wie sie unter diesen Bedingungen funktionieren, werden wir in der Lage sein, eine bessere Herstellung von Verbundwerkstoffen zu entwickeln, die Hochtemperatur-Verarbeitungsmatrizen wie Keramik und Metalle verwenden.“
Diese Arbeit wurde teilweise durch einen Zuschuss aus dem GAP Commercialization Investment Program der FSU finanziert, einer Veranstaltung, die vom Office of Commercialization organisiert wurde, um die Umwandlung akademischer Forschung in potenzielle kommerzielle Projekte zu unterstützen. Die Finanzierung, die Sweat im Jahr 2022 durch das wettbewerbsorientierte Bewerbungsverfahren des Office of Commercialization erhielt, unterstützte die Phase dieser Arbeit, in der die Verarbeitungstemperaturen für Verbundwerkstoffe mit BNNT-Keramikmatrix aufgedeckt wurden, die im Mittelpunkt des GAP-Projekts stehen.
Neben der GAP-Finanzierung wurde diese Studie auch durch eine Partnerschaft mit dem in Virginia ansässigen Unternehmen BNNT Materials unterstützt. Das Unternehmen synthetisiert BNNTs und arbeitete mit Forschern der Florida State University zusammen, um herauszufinden, wie die Nanoröhren hohe Temperaturen überstanden haben und wie sich unterschiedliche Chemien verhalten werden.
„GAP hat meinem Team geholfen, neue Wege zu gehen, und die Zusammenarbeit gefördert, um diese Arbeit voranzubringen“, sagte Sweat. „Der Anwendungsprozess und die Betonung der Übertragung von Forschungsergebnissen aus dem Labor auf Materialien, die für die Industrie relevant sind, helfen dabei, unsere Forschung auf spannende neue Technologien zu konzentrieren.“
Mehr Informationen:
Mehul J. Tank et al, Extreme Thermal Stability and Dissoziation Mechanisms of Purified Boron Nitride Nanotubes: Implications for High-Temperature Nanocomposites, ACS Angewandte Nanomaterialien (2022). DOI: 10.1021/acsanm.2c01965