En ny fjädervikt, flamresistent och superelastiskt "metamaterial" har visat sig kombinera hög hållfasthet med elektrisk konduktivitet och värmeisolering, föreslår potentiella tillämpningar från byggnader till rymd.

Kompositen kombinerar nanolager av en keramik som kallas aluminiumoxid med grafen, vilket är ett extremt tunt kol. Även om både keramik och grafen är spröda, det nya metamaterialet har en bikakemikrostruktur som ger superelasticitet och strukturell robusthet. Metamaterial är konstruerade med funktioner, mönster eller element på nanometers skala, eller miljarddels meter, tillhandahålla nya fastigheter för olika potentiella applikationer.

Grafen försämras vanligtvis vid hög temperatur, men keramiken ger hög värmetolerans och flamhållfasthet, egenskaper som kan vara användbara som värmesköld för flygplan. Den lätta vikten, höghållfasta och stötdämpande egenskaper kan göra kompositen till ett bra substratmaterial för flexibla elektroniska enheter och "stora töjningssensorer". Eftersom den har hög elektrisk konduktivitet och ändå är en utmärkt värmeisolator, det kan användas som flamskyddsmedel, värmeisolerande beläggning, samt sensorer och enheter som omvandlar värme till elektricitet, sa Gary Cheng, en docent vid School of Industrial Engineering vid Purdue University.

"Detta material är lättare än en fjäder, "sa han." Tätheten är riktigt låg. Det har ett mycket högt förhållande mellan styrka och vikt. "

Resultaten beskrivs i en forskningsartikel som publicerades den 29 maj i tidningen Avancerade material . Tidningen var ett samarbete mellan Purdue, Lanzhou University och Harbin Institute of Technology, både i Kina, och U.S. Air Force Research Laboratory. En forskningshöjdpunkt om arbetet dök upp i tidskriften Naturforskningsmaterial .

"De enastående egenskaperna hos dagens keramiska komponenter har använts för att möjliggöra många multifunktionella applikationer, inklusive termiskt skyddande skinn, intelligenta sensorer, elektromagnetisk vågabsorption och antikorrosionsbeläggningar, "Sa Cheng.

Dock, keramikbaserade material har flera grundläggande flaskhalsar som förhindrar deras allestädes närvarande användning som funktionella eller strukturella element.

"Här, vi rapporterar ett multifunktionellt keramiskt grafenmetamaterial med mikrostruktur-härledd superelasticitet och strukturell robusthet, "Sa Cheng." Vi uppnådde detta genom att designa en hierarkisk bikakemikrostruktur som är sammansatt med cellulära väggar med flera nanolager som fungerar som grundläggande elastiska enheter. Detta metamaterial visar en sekvens av multifunktionella egenskaper samtidigt som inte har rapporterats för keramik och keramik -matris -sammansatta strukturer. "

Kompositmaterialet är tillverkat av sammankopplade celler av grafen inklämt mellan keramiska lager. Grafenställningen, kallad en aerogel, är kemiskt bunden med keramiska skikt med hjälp av en process som kallas atomlageravsättning.

"Vi kontrollerar noggrant geometrin hos denna grafenairgel, "sa han." Och sedan lägger vi ner mycket tunna lager av keramiken. Den mekaniska egenskapen hos denna aerogel är multifunktionell, vilket är mycket viktigt. Detta arbete har potential att göra grafen till ett mer funktionellt material. "

Processen kan skalas upp för industriell tillverkning, han sa.

Framtida arbete kommer att omfatta forskning för att förbättra materialets egenskaper, möjligen genom att ändra dess kristallina struktur, skala upp processen för tillverkning och kontroll av mikrostrukturen för att justera materialegenskaper.