Een nieuw vedergewicht, vlambestendig en superelastisch "metamateriaal" is aangetoond dat het een hoge sterkte combineert met elektrische geleidbaarheid en thermische isolatie, mogelijke toepassingen van gebouwen tot ruimtevaart suggereren.

De composiet combineert nanolagen van een keramiek genaamd aluminiumoxide met grafeen, dat is een extreem dun vel koolstof. Hoewel zowel keramiek als grafeen broos zijn, het nieuwe metamateriaal heeft een honingraatmicrostructuur die zorgt voor superelasticiteit en structurele robuustheid. Metamaterialen zijn ontworpen met functies, patronen of elementen op de schaal van nanometers, of miljardsten van een meter, het verstrekken van nieuwe eigenschappen voor verschillende potentiële toepassingen.

Grafeen zou normaal gesproken degraderen bij blootstelling aan hoge temperaturen, maar het keramiek zorgt voor een hoge hittetolerantie en vlambestendigheid, eigenschappen die nuttig kunnen zijn als hitteschild voor vliegtuigen. Het lichte gewicht, hoge sterkte en schokabsorberende eigenschappen zouden de composiet tot een goed substraatmateriaal kunnen maken voor flexibele elektronische apparaten en "grote spanningssensoren". Omdat het een hoge elektrische geleidbaarheid heeft en toch een uitstekende thermische isolator is, het kan worden gebruikt als een vlamvertrager, thermisch isolerende coating, evenals sensoren en apparaten die warmte omzetten in elektriciteit, zei Gary Cheng, een universitair hoofddocent aan de School of Industrial Engineering aan de Purdue University.

"Dit materiaal is lichter dan een veer, " zei hij. "De dichtheid is echt laag. Het heeft een zeer hoge sterkte-gewichtsverhouding."

De bevindingen werden gedetailleerd beschreven in een onderzoekspaper dat op 29 mei in het tijdschrift werd gepubliceerd Geavanceerde materialen . Het papier was een samenwerking tussen Purdue, Lanzhou University en het Harbin Institute of Technology, zowel in China, en het onderzoekslaboratorium van de Amerikaanse luchtmacht. Een onderzoekshoogtepunt over het werk verscheen in het tijdschrift Natuuronderzoeksmateriaal .

"De uitstekende eigenschappen van de op keramiek gebaseerde componenten van vandaag zijn gebruikt om veel multifunctionele toepassingen mogelijk te maken, inclusief thermische beschermende huiden, intelligente sensoren, elektromagnetische golfabsorptie en corrosiewerende coatings, ' zei Chen.

Echter, op keramiek gebaseerde materialen hebben verschillende fundamentele knelpunten die hun alomtegenwoordige gebruik als functionele of structurele elementen verhinderen.

"Hier, we rapporteren een multifunctioneel keramisch-grafeen metamateriaal met microstructuur-afgeleide superelasticiteit en structurele robuustheid, " Zei Cheng. "We hebben dit bereikt door een hiërarchische honingraatmicrostructuur te ontwerpen die is samengesteld met celwanden met meerdere nanolagen die als elastische basiseenheden dienen. Dit metamateriaal toont tegelijkertijd een reeks multifunctionele eigenschappen die niet zijn gerapporteerd voor keramiek en keramiek-matrix-composietstructuren."

Het composietmateriaal is gemaakt van onderling verbonden cellen van grafeen, ingeklemd tussen keramische lagen. De grafeensteiger, een aerogel genoemd, is chemisch gebonden met keramische lagen met behulp van een proces dat atomaire laagafzetting wordt genoemd.

"We controleren zorgvuldig de geometrie van deze grafeen-aerogel, " zei hij. "En dan deponeren we zeer dunne lagen van het keramiek. De mechanische eigenschap van deze aerogel is multifunctioneel, wat erg belangrijk is. Dit werk heeft het potentieel om van grafeen een functioneler materiaal te maken."

Het proces kan worden opgeschaald voor industriële productie, hij zei.

Toekomstig werk omvat onderzoek om de eigenschappen van het materiaal te verbeteren, mogelijk door de kristallijne structuur te veranderen, opschaling van het proces voor het vervaardigen en controleren van de microstructuur om materiaaleigenschappen af ​​te stemmen.