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氮化硼-石墨烯納米片狀泡沫,用于太空探索等

信息來(lái)源:本站 | 發(fā)布日期: 2024-08-24 08:31:35 | 瀏覽量:31837

摘要:

1成果簡(jiǎn)介隨著太空探索的推進(jìn),對(duì)輕質(zhì)、多功能材料的需求大幅增長(zhǎng)。本文,佛羅里達(dá)國(guó)際大學(xué)Arvind Agarwal等研究人員在《ADVANCED MATERIALS TECHNOLOGIES》期刊發(fā)表名為“Smart Foams: Boron Nitride-Graphene Nanoplatelet Foams for Tunable Radiation Shielding and …

1成果簡(jiǎn)介

隨著太空探索的推進(jìn),對(duì)輕質(zhì)、多功能材料的需求大幅增長(zhǎng)。本文,佛羅里達(dá)國(guó)際大學(xué)Arvind Agarwal等研究人員在《ADVANCED MATERIALS TECHNOLOGIES》期刊發(fā)表名為“Smart Foams: Boron Nitride-Graphene Nanoplatelet Foams for Tunable Radiation Shielding and Strain Sensing”的論文,研究開發(fā)了不同氮化硼納米片(BNNP)與石墨烯納米片(GNP)比例的混合二維(2D)材料泡沫,這種泡沫具有雙重功能:中子輻射屏蔽和應(yīng)變傳感器。

研究了成分、加工、微觀結(jié)構(gòu)及其產(chǎn)生的中子屏蔽和應(yīng)變傳感性能之間的關(guān)系。通過(guò)調(diào)整 BNNP:GNP 的成分(1:0、3:1、1:1、1:3 和 0:1),可以對(duì)混合泡沫的性能進(jìn)行微調(diào)。在中子輻射屏蔽方面,混合泡沫的質(zhì)量吸收系數(shù)隨著 BNNP 的添加而增加,純 BNNP 泡沫的質(zhì)量吸收系數(shù)達(dá)到 14.9 cm2 g-1。這一質(zhì)量吸收系數(shù)是純 GNP 泡沫的 1.6 倍,幾乎是鋁的 75 倍。利用基于蒙特卡羅平臺(tái)的 Geant4 對(duì)輻射屏蔽特性進(jìn)行了模擬,模擬結(jié)果顯示出與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似的趨勢(shì)?;旌吓菽膽?yīng)變傳感特性(通過(guò)其計(jì)度系數(shù)測(cè)量)隨著 GNP 濃度的增加而呈指數(shù)增長(zhǎng)。從電絕緣的 BNNP 泡沫開始,當(dāng) GNP 濃度達(dá)到 25% 時(shí),量規(guī)因子增加到 53.4,而純 GNP 泡沫的量規(guī)因子則達(dá)到 201.8。這些發(fā)現(xiàn)凸顯了混合二維材料泡沫在空間探索方面的多功能性。
2圖文導(dǎo)讀
圖1、BNNP/GNP 混合泡沫微觀結(jié)構(gòu):a) 100 BNNP,b) 75 BNNP - 25 GNP,c) 25 BNNP - 75 GNP,d) 100 GNP。
圖2、BNNP/GNP 混合泡沫的銦箔放射性衰變
圖3、a) 氮化硼和 b) 石墨烯的中子相互作用機(jī)理。
圖4、Geant4 模擬 BNNP/GNP 混合泡沫的中子屏蔽特性。
圖5、BNNP/GNP 混合泡沫的電阻隨壓縮機(jī)械應(yīng)變的相對(duì)變化。
圖6、BNNP/GNP 混合泡沫的應(yīng)變感應(yīng)機(jī)制。
3小結(jié)
我們通過(guò)冷凍干燥技術(shù)開發(fā)出了超輕質(zhì)的 BNNP/GNP 混合泡沫,其密度為 0.05 ± 0.005 g cm-3,孔隙率為 97.5%。這些由不同成分的 BNNP 和 GNP 制成的混合二維材料泡沫具有雙重功能:中子輻射屏蔽和應(yīng)變傳感。本研究系統(tǒng)分析了泡沫成分和微結(jié)構(gòu)如何影響應(yīng)變傳感和中子輻射屏蔽性能的可調(diào)性。具體來(lái)說(shuō),我們發(fā)現(xiàn)泡沫的應(yīng)變靈敏度可通過(guò)增加網(wǎng)絡(luò)中 GNP 的濃度進(jìn)行微調(diào),從而產(chǎn)生 0.0 至 201.8 的量規(guī)因子。通過(guò)提高泡沫支架中的 BNNP 濃度,可以增強(qiáng)這些泡沫的中子屏蔽能力。這種調(diào)整可實(shí)現(xiàn) 9.33 至 14.89 cm2 g-1 的質(zhì)量吸收系數(shù)。我們還研究了在設(shè)計(jì)這些泡沫時(shí)如何權(quán)衡輻射屏蔽和應(yīng)變敏感性。這種對(duì)其特性的控制為定制這些混合泡沫以滿足各種應(yīng)用(尤其是太空探索及其他應(yīng)用)的特定要求提供了令人興奮的可能性。

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