Materiaalwetenschappers van ETH-Zürich werken aan composietmaterialen die de structuur van schelpen nabootsen. Dergelijke complexe structuren worden geproduceerd met behulp van kleine magnetische deeltjes die de stijvere elementen van de composieten op hun plaats leiden. Deze techniek maakt nieuwe technologieën mogelijk, van duurzame coatings tot sterkere en lichtere materialen.

Composietmaterialen zijn wijdverbreid in onze samenleving. Ze worden gebruikt in een breed scala aan constructies, van vliegtuigvleugels en glasvezelboten tot windturbinebladen en tandheelkundige restauraties. Omdat composieten verschillende klassen materialen combineren, zoals kunststoffen, metalen, en keramiek, het is mogelijk om ze tegelijkertijd stijf en sterk te ontwerpen, licht en flexibel. Een dergelijke combinatie van eigenschappen kan niet worden bereikt met alleen één materiaalklasse; kunststoffen zijn niet stijf, metalen zijn niet licht, en keramiek is niet flexibel.

Het ontwerp en de fabricage van composieten die deze eigenschappencombinaties bereiken, vereist de juiste oriëntatie en plaatsing van sterke en stijve keramische of polymere vezels in een zachter en lichter polymeer materiaal zoals een epoxylijm. Zonder de juiste oriëntatie, de stijvere elementen zijn niet effectief in hun rol om het zachtere materiaal te versterken.

Hoge stijfheid en sterkte

De mogelijkheid om deze oriëntatie te beheersen is composietfabrikanten al lang ontgaan. Huidige composietmaterialen bevatten stijve vezels die vaak als een stuk stof zijn gerangschikt, die later wordt geïnfiltreerd met een zachte, lichte polymere hars. Dit zorgt voor een hoge stijfheid en sterkte in het vlak van de stof die gemakkelijk kan worden waargenomen door aan de uiteinden van een enkele stoflaag te trekken. De huidige fabricagetechnieken stapelen talrijke dunne lagen op elkaar om grotere structuren te creëren.

Echter, dit leidt doorgaans tot composieten met een zwakke slagvastheid en een hoge gevoeligheid voor delaminatie tussen gestapelde lagen. interessant, composietmaterialen geproduceerd door levende organismen vertonen elegante oplossingen voor deze problemen door biologische composieten te bouwen met behulp van versterkende elementen met unieke 3D-architecturen, zoals geïllustreerd door de structuur van de schelp. Soortgelijke 3D-versterkende strategieën worden ook gevonden in tanden, botten en plantenstengels.

Nauwkeurige controle van wapeningselementen

In het 13 januari nummer van het tijdschrift Wetenschap , onderzoekers van ETH-Zürich hebben een nieuw ontwikkelde techniek onthuld die de precieze controle van deze stijvere versterkende elementen in een synthetisch composiet mogelijk maakt. Hun techniek maakt gebruik van magnetische krachten, vertrouwen op een soortgelijk fenomeen als een staafmagneet die ijzeren vullingen oriënteert. De belangrijkste uitdaging was het feit dat de materialen die van belang zijn voor composieten niet-magnetisch zijn en dus, reageren zelf niet op magneetkrachten.

Het ETH-team ontdekte dat ze een magnetische respons in deze materialen mogelijk konden maken door een verrassend kleine hoeveelheid magnetische nanodeeltjes (1/1000ste van de diameter van een mensenhaar) op het oppervlak van de stijve elementen te bevestigen. Deze methode werkt alleen voor stijve elementen van een gedefinieerde grootte in het micrometerbereik, die toevallig overlapt met de grootte van de belangrijkste interesse in de composietindustrie. Het gebruik van stijvere elementen op deze schaal zorgt voor oriëntatiecontrole met behulp van magnetische velden die slechts 20 keer groter zijn dan die van de aarde. Ter vergelijking, creditcardstrepen zenden magnetische velden uit die de 2 naderen, 000 keer dat van het aardveld.

Techniek in industrieel gebruik zetten

Het onderzoeksteam toonde aan dat deze techniek kan worden gebruikt om een ​​hele familie van nieuwe composietstructuren te produceren die voorheen niet mogelijk waren (Figuur 2). Deze nieuwe structuren vertonen programmeerbare materiaaleigenschappen in elke gewenste richting, een eigenschap die niet is aangetoond met eerdere technieken. Omdat de nieuwe methode gebaseerd is op zulke lage magnetische velden en kleine coatings, de toepasbaarheid in bestaande productieprocessen is duidelijk.

Het ETH-team werkt momenteel samen met commerciële bedrijven om deze techniek industrieel te gebruiken. De industrialisering van deze benadering biedt een weg naar lichtere, goedkoper, en sterkere composietmaterialen voor de auto- en ruimtevaartindustrie en voor de ontwikkeling van materialen om het oogsten van hernieuwbare energie te bevorderen, zoals met lichtere, sterkere windturbinebladen.

The ETH team plans to continue this work by adapting these techniques to a variety of new systems and new materials.