En optisk mikroskopisk bild av en 3D-tryckt kolstock med struttad tub-i-tube-strålemorfologi. Kredit:Lawrence Livermore National Laboratory
I likhet med grässtamlar har forskare från Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) skapat nanostrut-anslutna rör-i-rör som möjliggör starkare konstruktionsmaterial med låg densitet.
Porösa material med konstruerade töjningsdominerade gitterdesigner, som erbjuder attraktiva mekaniska egenskaper med ultralätt vikt och stor yta för breda applikationer, har nyligen uppnått nästan idealisk linjär skalning mellan styvhet och densitet.
I den nya forskningen utvecklade teamet en process för att omvandla helt täta, 3D-tryckta polymerstrålar till grafitiska ihåliga rör-i-rör-sandwichstrukturer av kol, där de inre och yttre rören, i likhet med grässtammar, är anslutna via ett nätverk av stag. Forskningen finns på omslaget till numret av Nature Materials den 25 oktober .
Kompressionstester och beräkningsmodeller visar att denna förändring i strålmorfologi dramatiskt saktar ner minskningen i styvhet med minskande densitet. Kompressionsexperiment visade ytterligare stor deformationsåtervinning efter 30 procent till 50 procent kompression, vilket ledde till höga gravimetriska energiavledningsegenskaper.
Porösa material med ultralåg densitet har många nya tillämpningar, såsom mekaniska stötdämpare, termisk och akustisk isolering, flexibla batteri- och katalysatorställningar, MEMS-enheter och som målmaterial för fysikexperiment med hög energidensitet.
"Vissa av dessa applikationer kommer att dra nytta av att minska densiteten av inaktivt kolmaterial samtidigt som de ger hög specifik ytarea i kombination med hög styvhet och formåtervinningsegenskaper", säger LLNL-materialforskaren Jianchao Ye, medförfattare till uppsatsen. "Tänk på batterier eller katalysatorer:den unika rör-i-rör-strukturen kombinerar utmärkta mekaniska egenskaper med låg densitet och ger stor yta för energilagring eller katalysatorer med enkla masstransportvägar."
Liknande sandwichpanelkonstruktioner med integrerade bärande stag finns också i naturen, där låg vikt och goda mekaniska egenskaper är viktiga. Exempel inkluderar skallar från olika arter, stjälkar av växter och fågelben. Medan den nya kolstrukturen med strut tube-in-tube (STinT) liknar arkitekturen hos djurskallar och växtstammar, är dess karakteristiska längdskala storleksordningar mindre.
För att övervinna utmaningen med att snabbt försämra mekaniska egenskaper med minskande densitet, utvecklade teamet den styva STinT-designen. Specifikt tillverkade de kolbaserade mikrogitter med integrerad STinT-strålemorfologi genom en tvåstegs nickelkatalyserad mall-pyrolysprocess. Denna tillverkningsprocess bibehåller strukturen och dimensionerna hos offerpolymermallen som tryckts för att leverera anmärkningsvärt styva kolgitter med densiteter så låga som 6,4 mg/cm3.
"Vi tillskriver styvheten hos våra kolgitter med låg densitet till den integrerade nanoskaliga strävda tub-i-rör-balkdesignen som möjliggör lätta men styva gallerbyggstenar, ett designkoncept som kan appliceras ortogonalt på nuvarande optimeringsinsatser för gittertopologi," sa LLNL materialforskare Juergen Biener, en medförfattare till uppsatsen. + Utforska vidare
