Net als grasstengels hebben wetenschappers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) nanostrut-verbonden buis-in-buizen gemaakt die sterkere structurele materialen met een lage dichtheid mogelijk maken.

Poreuze materialen met door rekking gedomineerde roosterontwerpen, die aantrekkelijke mechanische eigenschappen bieden met een ultralicht gewicht en een groot oppervlak voor uiteenlopende toepassingen, hebben onlangs een bijna ideale lineaire schaalverdeling tussen stijfheid en dichtheid bereikt.

In het nieuwe onderzoek ontwikkelde het team een ​​proces om volledig dichte, 3D-geprinte polymere balken om te zetten in holle buis-in-buis sandwichstructuren van grafietkoolstof, waarbij, net als bij grasstengels, de binnen- en buitenbuizen zijn verbonden via een netwerk van stutten. Het onderzoek staat op de cover van het 25 oktober nummer van Nature Materials .

Compressietesten en computationele modellering tonen aan dat deze verandering in balkmorfologie de afname in stijfheid dramatisch vertraagt ​​met afnemende dichtheid. Compressie-experimenten toonden verder een groot vervormingsherstel aan na 30 tot 50 procent compressie, wat leidde tot hoge gravimetrische energiedissipatie-eigenschappen.

Poreuze materialen met ultralage dichtheid hebben veel nieuwe toepassingen, zoals mechanische schokdempers, thermische en akoestische isolatie, flexibele batterij- en katalysatorsteigers, MEMS-apparaten en als doelmaterialen voor fysica-experimenten met hoge energiedichtheid.

"Sommige van deze toepassingen zullen profiteren van het verminderen van de materiaaldichtheid van inactieve koolstof terwijl ze toch een hoog specifiek oppervlak bieden in combinatie met hoge stijfheid en vormhersteleigenschappen", zegt LLNL-materiaalwetenschapper Jianchao Ye, co-hoofdauteur van het artikel. "Denk aan batterijen of katalysatoren:de unieke buis-in-buis-structuur combineert uitstekende mechanische eigenschappen met een lage dichtheid en biedt een groot oppervlak voor energieopslag of katalysatoren met gemakkelijke massatransportroutes."

Soortgelijke sandwichpaneelontwerpen met geïntegreerde dragende stutten komen ook voor in de natuur, waar een laag gewicht en goede mechanische eigenschappen belangrijk zijn. Voorbeelden zijn de schedels van verschillende soorten, stengels van planten en vogelbotten. Terwijl de nieuwe strutted tube-in-tube (STinT) koolstofstructuur lijkt op de architectuur van dierenschedels en plantenstengels, is de karakteristieke lengteschaal orden van grootte kleiner.

Om de uitdaging van snel verslechterende mechanische eigenschappen met afnemende dichtheid te overwinnen, ontwikkelde het team het stijve STinT-ontwerp. In het bijzonder fabriceerden ze op koolstof gebaseerde microroosters met geïntegreerde STinT-straalmorfologie via een tweestaps nikkel-gekatalyseerd templating-pyrolyseproces. Dit fabricageproces handhaaft de structuur en afmetingen van de als-gedrukte opofferingspolymeersjabloon om opmerkelijk stijve koolstofroosters te leveren met dichtheden zo laag als 6,4 mg/cm3.

"We schrijven de stijfheid van onze koolstofroosters met lage dichtheid toe aan het geïntegreerde, op nanoschaal gestutte buis-in-buis-balkontwerp dat lichtgewicht maar stijve roosterbouwstenen mogelijk maakt, een ontwerpconcept dat orthogonaal kan worden toegepast op de huidige optimalisatie-inspanningen van de roostertopologie, "zei LLNL materiaalwetenschapper Juergen Biener, een co-auteur van het artikel. + Verder verkennen

Nieuwe 3D-geprinte roosterontwerpen tarten de conventionele wijsheid over metamaterialen