De natuur biedt vaak veelbelovende inspiratie voor biomimetische kunstmatige materialen. In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd in Geavanceerde wetenschap , Faheng Wang en een team van wetenschappers in geavanceerde materialen, engineering en wetenschap in China ontwikkelden nieuwe cementmaterialen op basis van unidirectionele poreuze architecturen om de ontwerpen van natuurlijk hout te repliceren. Het resulterende houtachtige cementmateriaal vertoonde een hogere sterkte bij gelijke dichtheden, naast multifunctionele eigenschappen voor effectieve thermische isolatie, waterdoorlatendheid en eenvoudige aanpassing voor waterafstoting. Het team bereikte tegelijkertijd een hoge sterkte en multifunctionaliteit om van het houtachtige cement een veelbelovend nieuw bouwmateriaal te maken voor hout-nabootsende ontwerpen met hoge prestaties. Ze presenteerden een eenvoudige fabricageprocedure om een ​​betere efficiëntie tijdens massaproductie te bevorderen met toepassingen die geschikt zijn voor andere materiaalsystemen.

Ontwikkelen van bio-geïnspireerde houtachtige materialen

Poreuze materialen op cementbasis hebben een lage thermische geleidbaarheid voor warmte-isolatie, hoge geluidsabsorberende efficiëntie, uitstekende doorlaatbaarheid voor lucht en water, met behoud van lichtgewicht en brandwerendheid. Echter, het blijft nog steeds een belangrijke uitdaging om de gelijktijdige verbetering van zowel mechanische als multifunctionele eigenschappen te bereiken, inclusief mechanische ondersteuning, effectief transport en goede thermische isolatie. Het is daarom zeer wenselijk om materialen te genereren met verbeterde mechanische en multifunctionele eigenschappen om de ontwerpprincipes van natuurlijk hout actief te implementeren. Tijdens de experimenten, Wang et al. ontwikkeld houtachtig cement met unidirectionele poreuze architecturen gevormd via een bidirectionele bevriezingsbehandelingsmethode. Door het proces konden bruggen worden gevormd tussen de bestanddelen van de structuur, het team ontdooide vervolgens de volledig bevroren lichamen totdat het ijs geleidelijk smolt en het cement hard werd. Het daaropvolgende hydratatieproces produceerde nieuwe mineralen en gels in het cement, inclusief zeshoekig calciumhydroxide, naaldachtige ettringiet- en calciumsilicaat-hydraatgels. De fasen ontstonden voornamelijk bij de cementlamellen en groeiden naar hun onderlinge afstand tijdens het ontdooi- en uithardingsproces voor een betere structurele integriteit met verbeterde lamellenverbindingen tijdens de vorming van poreus cement. Met behulp van röntgentomografie (XRT), het team onthulde vervolgens de vorming van unidirectionele microporiën in het cement met ijstemplate.

Wang et al. gebruikte scanning-elektronenmicroscopie (SEM) -beelden om de unidirectionele poriën tussen de lamellen in het cement met ijstemplate te onthullen dat een grote hoeveelheid onderlinge verbindingen omvatte die de lamellen overbrugden. Het team classificeerde de onderlinge verbindingen in drie typen:(1) bruggen en kruispunten gevormd door cementdeeltjes die tijdens het bevriezen in ijskristallen zijn verzwolgen, (2) zeshoekig calciumhydroxide, en (3) naaldachtig ettringiet. De laatstgenoemde mineralen waren het resultaat van hydratatiereacties van cement tijdens het ontdooi- en uithardingsproces. De cementlamellen bevatten overvloedige poriën die gevormd zijn tijdens het cementdroogproces als gevolg van de dehydratatie van gels en de verwijdering van water. De wetenschappers classificeerden de poriën in houtachtig cement in drie soorten, inclusief (1) interlamellaire open poriën, (2) intralamellaire open poriën en (3) intralamellaire gesloten poriën. De interlamellaire porositeit werd voornamelijk bepaald door het watergehalte, die een rol speelde als porievormend middel.

De mechanische en multifunctionele eigenschappen van het materiaal

Het team verkreeg representatieve drukspanning-rekcurves van het houtachtige cement met of zonder toevoeging van siliciumdampen aan de samenstelling ervan. De druksterkte nam monotoon af met de stijgende water/cementverhoudingen in de slurries die werden gebruikt om het materiaal te ontwikkelen, wat uiteindelijk leidde tot een verhoogde porositeit in het cement. Aangezien de faalspanning van het materiaal toenam met een verhoogde totale porositeit, de sterkte van poreuze vaste stoffen kan worden bepaald door de porositeit ervan. Het team heeft vervolgens de thermische geleidbaarheidscoëfficiënt van ijs-template gemeten, houtachtig cement om afnemende thermische geleidbaarheid te vertonen met toenemende porositeit van het materiaal. Ze gebruikten ook infrarood (IR) beelden om de robuuste thermische isolatie-eigenschappen van het cementmateriaal met ijstemplate duidelijk waar te nemen. Om de thermische isolatie-efficiëntie te regelen, Wang et al. de vaste belasting in de cementgebonden slurries aangepast door het water/cementgehalte te verhogen. Het resulterende cementmateriaal absorbeerde water vanwege het hydrofiele (wateraantrekkelijke) karakter van de interne oppervlakken. In tegenstelling tot, ze kunnen voorkomen dat water de poriën binnendringt door de oppervlakken waterdicht te maken met een organosiliciummiddel; dergelijke inspanningen op hydrofobiciteit kunnen er zelfs voor zorgen dat het materiaal op water gaat drijven. De methode kan daarom schakelbare toepassingen vergemakkelijken als doorlatende of waterdichte constructies die geschikt zijn als bouwmaterialen.

Vooruitzichten voor houtachtige cementmaterialen

Op deze manier, Faheng Wang en collega's presenteerden een ijssjabloontechniek als een haalbare benadering om unidirectionele microporiën te creëren voor toepassingen in keramiek, polymeren, metalen en hun composieten. De wetenschappers ontwikkelden een vriesdroogbehandelingsproces op basis van het zelfhardende gedrag van cement bij contact met hydratatiereacties. De resulterende houtachtige cementarchitectuur bevatte een verscheidenheid aan poriën in open of gesloten vormen en een overvloed aan onderlinge verbindingen die hun lamellen overbrugden. Toen de porositeit toenam, de sterkte van het cement nam af. Het houtachtige cement had ook een lagere thermische geleidbaarheid en een goede waterdoorlatendheid. Het team kan het cementmateriaal veranderen in waterafstotend of wateraantrekkelijk via een hydrofobe of hydrofiele behandeling, respectievelijk. De eenvoudige en praktische strategie voor materiaalontwikkeling, gekoppeld aan de zelfhardende aard van de bestanddelen ervan, kan de tijd- en kosteneffectiviteit van de ijsvormtechniek aanzienlijk verbeteren om duurzaam beton te vormen met het potentieel om de methode naar andere materiaalsystemen te vertalen.

© 2021 Science X Network