Een onderzoeksteam van de University of California, Berkeley heeft een eenvoudige gloeimethode ontwikkeld om een ​​3D-geprint polymeer om te zetten in een sterker, taai hybride koolstofmicroroostermateriaal.

De methode van het team, waarbij het gedrukte materiaal eenvoudigweg in een inerte atmosfeer wordt verwarmd, zorgt ervoor dat de polymeerketens verknopen en een stijf netwerk vormen, terwijl de koolstofdeeltjes als versterking fungeren. Het resulterende materiaal heeft een sterkte en ductiliteit die vergelijkbaar is met die van traditionele metaalschuimen, maar met een veel lagere dichtheid.

De onderzoekers zijn van mening dat hun methode kan worden gebruikt om een ​​nieuwe klasse lichtgewicht, zeer sterke materialen te creëren voor een verscheidenheid aan toepassingen, waaronder de lucht- en ruimtevaart-, automobiel- en sportuitrusting.

"Onze methode opent de mogelijkheid om nieuwe materialen te creëren die sterker, lichter en veelzijdiger zijn dan traditionele materialen", zegt hoofdauteur van het onderzoek Chengyu Li, een postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling Materials Science and Engineering van UC Berkeley. "Dit kan een grote impact hebben op een breed scala aan industrieën."

De bevindingen van het team werden gepubliceerd in het tijdschrift Nature Materials.

Hoe het werkt

De methode van het team begint met een 3D-printer die een polymeer zoals poly(methylmethacrylaat) (PMMA) in de gewenste vorm kan printen. Het geprinte onderdeel wordt vervolgens in een inerte atmosfeer geplaatst en verwarmd tot een temperatuur van ongeveer 300 graden Celsius (572 graden Fahrenheit). Deze temperatuur is hoog genoeg om de polymeerketens te laten verknopen, maar laag genoeg om te voorkomen dat het materiaal afbreekt.

Terwijl het materiaal afkoelt, vormen de verknoopte polymeerketens een stijf netwerk dat het materiaal zijn sterkte geeft. De koolstofdeeltjes, die door het polymeer verspreid zijn, fungeren als versterking en helpen voorkomen dat het materiaal breekt.

Het resulterende materiaal heeft een dichtheid van ongeveer 0,2 gram per kubieke centimeter (g/cc), wat ongeveer een vijfde is van de dichtheid van aluminium. Het heeft ook een sterkte van ongeveer 100 megapascal (MPa), wat vergelijkbaar is met die van traditionele metaalschuimen. Het hybride koolstofmicroroostermateriaal is echter veel taaier dan metaalschuimen, wat betekent dat het meer vervorming kan weerstaan ​​voordat het breekt.

Potentiële toepassingen

Het team is van mening dat hun methode kan worden gebruikt om een ​​nieuwe klasse lichtgewicht, zeer sterke materialen te creëren voor een verscheidenheid aan toepassingen. Enkele mogelijke toepassingen zijn onder meer:

* Lucht- en ruimtevaart:het materiaal zou kunnen worden gebruikt om lichtgewicht structurele componenten voor vliegtuigen en ruimtevaartuigen te maken.

* Automotive:het materiaal kan worden gebruikt om lichtgewicht carrosseriepanelen en andere componenten voor auto's en vrachtwagens te maken.

* Sportuitrusting:het materiaal kan worden gebruikt om lichtgewicht, hoogwaardige sportuitrusting te maken, zoals tennisrackets en golfclubs.

Het team werkt momenteel aan het opschalen van hun methode, zodat deze kan worden gebruikt om grotere onderdelen te produceren. Ze onderzoeken ook verschillende manieren om de eigenschappen van het materiaal te wijzigen, zoals de sterkte, ductiliteit en dichtheid.