作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 B4C-纳米石墨烯合成工艺步骤示意图
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
aba7016 材料工程中纳米填料与基体纳米复合材料之间的弱界面相互作用导致纳米填料的增强效果远低于理论预测值
在《科学进展》杂志上发表的一份新报告中，宋宁宁和美国弗吉尼亚大学机械和航天工程系的一组科学家
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展示了石墨烯包裹的碳化硼(B4C)纳米线(B4C-NWs @石墨烯)
这种结构使纳米线在基体中异常分散，并有助于最高级的纳米线-基体结合
B4C-NWs @石墨烯构建了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
利用石墨烯定制复合界面，宋等
有效利用纳米填料，将负载转移效率提高两倍
他们使用分子动力学模拟来解开石墨烯/纳米线结构的剪切混合自组装机制
这种低成本技术开辟了一条新的途径来开发坚固耐用的纳米复合材料，以改善界面，实现高效的高负载转移
纳米填料——纳米线和纳米粒子 包括纳米线和纳米粒子在内的纳米填料的比表面积比微填料大得多
理论上，它们因此提供了理想的增强材料，用于在强度和韧性方面的特殊接头增强
然而，在材料科学和工程中，由于填料和基体之间的弱界面结合，纳米复合材料仍未实现这一承诺
碳化硼(B4C)是自然界中第三硬的材料，因其关键的物理和机械性能而广受赞誉
然而，当在纳米复合材料中用作增强材料时，单独的B4C纳米线(B4C-纳米线)由于其在基体中的弱分散和弱界面结合而不显示增强效果
因此，设计纳米复合材料界面以实现其全部潜力非常重要
在材料科学和纳米材料领域许多正在发挥作用的方法中，宋等人
报道一种石墨烯界面工程技术
在这种机制下，他们用石墨烯粘合了B4C纳米带，以格外增强所得材料的强度和韧性
他们将高质量的石墨烯片转化为石墨，同时通过剪切混合将它们包裹在B4C纳米结构上，从而获得B4C纳米结构@石墨烯结构
剪切混合法在稀水中合成纳米填料
(一)B4C-石墨烯，(二)多层石墨烯，(三)B4C-石墨烯
(四)B4C-NWs、石墨烯和B4C-NWs @石墨烯的悬浮体的年代数字照片
图片来源:弗吉尼亚大学宋宁宁
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aba7016 合成B4C-NWS @石墨烯结构 宋等
首先通过典型的气-液-固过程在碳纤维布的表面均匀生长B4C-NWS，其中棉花作为碳的来源，而无定形硼粉末作为硼的来源，还有催化剂
该团队通过超声波振动将B4C-NWS从基底上分离出来，并使用x光光电谱(XPS)研究了材料中的化学键合状态，以确认高质量B4C-纳米材料的生产
然后直接合成并自组装出-NWs @石墨烯
混合石墨粉和B4C-NWs
然后使用透射电子显微镜，他们展示了石墨是如何成功剥离成石墨烯的，而B4C-NWS在混合物中保持完整
在合成过程中，石墨烯片同时自组装到B4C-纳米碳管表面
利用高分辨率透射电子显微镜()检查和相应的快速傅里叶变换(FFT)模式，宋等
证实了石墨烯在B4C-NWs上的高质量自组装，同时保持单层和多层特征
B4C-NWs @石墨烯的表征
(一)透射电镜图像，(二)XRD图谱，(三)B4C-石墨烯纳米带背景校正拉曼光谱
(四)HRTEM图像，(五)相应的快速傅里叶变换，(六)B4C B4C-西北地区的背景校正拉曼光谱
(1)单层石墨烯在B4C的背景校正拉曼光谱
a
u
，任意单位
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aba7016 表征B4C-纳米材料@石墨烯结构 科学家们将B4C-纳米石墨烯分散在环氧树脂纳米复合材料上，并对复合材料和环氧树脂材料进行了三点弯曲试验
与原始环氧树脂样品相比，B4C-石墨烯纳米复合材料在断裂前经历了更大的塑性变形
结果表明，石墨烯作为一种界面剂增强了B4C-纳米碳管与环氧树脂基体之间的结合，而一系列促进弯曲的机制共同提高了B4C-纳米碳管@石墨烯复合材料的韧性
通过这种方式，石墨烯使得纳米填料在基体中具有更好的分散能力，提供了改进的载荷传递以及强度和韧性的联合放大
为了更好地理解-NWs @石墨烯结构的色散性质，宋等
计算复合材料的理论弹性模量
结果表明，与文献报道的其他复合材料相比，该复合材料保持了优异的强度和韧性
B4C-纳米碳管@石墨烯复合材料的力学性能
(甲、乙)机械性能对比0
3体积% B4C-纳米石墨烯复合材料与其他典型纳米填料增强复合材料[源自(30–44)]
纯环氧树脂和B4C-石墨烯增强复合材料的弯曲强度、弹性模量和断裂应变的比较
(四)载荷传递效率与密度的关系图，显示B4C-纳米石墨@石墨烯复合材料具有优异的界面性能[1D纳米填料增强复合材料的机械性能源于以前的研究]
碳纳米管
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aba7016 分子动力学模拟 该团队进行了分子动力学模拟，以首先了解石墨烯如何编辑B4C-西北表面，以及石墨烯如何允许B4C-西北的分散以及增强复合材料中的载荷传递
然后，他们进行分子动力学模拟，测试纳米填料从环氧树脂基体中拔出的过程，以了解纳米填料和基体之间的粘合强度
分子动力学模拟与实验观察一致，并揭示了石墨烯定制的B4C纳米带增强相互作用势垒的细节，以改善色散性能
宋等
进行模拟以研究纳米填料从环氧树脂基体中拔出的过程，并计算相互作用能以了解纳米填料和基体之间的粘合强度
由于石墨烯的存在，B4C-NWs @石墨烯显示出与环氧树脂更高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，更大数量的相互作用原子和复合材料的复杂几何形状增强了界面强度和负载转移效率
纳米填料相互作用的分子动力学模拟
(一)用于计算相互作用能的初始结构的分子动力学快照(B4C-NWs @石墨烯/B4C-NWs @石墨烯)
(二)两种同类型纳米填料(石墨烯/石墨烯、B4C-西北/B4C-西北、B4C-西北@石墨烯/B4C-西北@石墨烯)之间的相互作用能谱
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aba7016 通过这种方式，宋宁宁和他的同事们使用石墨烯片来定制B4C-NWs和环氧树脂材料之间的界面
该团队通过在稀释水中剪切混合石墨烯粉末和B4C-纳米石墨烯来合成纳米复合材料(B4C-纳米石墨烯@石墨烯)
所得悬浮液在水中和环氧材料中表现出均匀的分散，以提高载荷传递效率，同时改善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坚固耐用的纳米复合材料开辟新的途径，应用于医学、药理学和药物输送，使石墨烯包裹的纳米粒子能够克服外排泵和耐药性
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