Træ-inspireret cement med høj styrke og multifunktionalitet

Naturen tilbyder ofte lovende inspiration til biomimetiske menneskeskabte materialer. I en ny rapport, der nu er offentliggjort i Avanceret Videnskab , Faheng Wang og et team af forskere inden for avancerede materialer, teknik og videnskab i Kina udviklede nye cementmaterialer baseret på ensrettet porøse arkitekturer for at kopiere design af naturligt træ. Det resulterende trælignende cementmateriale viste højere styrke ved lige densiteter, sammen med multifunktionelle egenskaber til effektiv varmeisolering, vandgennemtrængelighed og nem justering for vandafvisning. Teamet opnåede samtidig høj styrke og multifunktionalitet for at gøre den trælignende cement til et lovende nyt byggemateriale til træmimetiske designs med høj ydeevne. De præsenterede en enkel fremstillingsprocedure for at fremme bedre effektivitet under masseproduktion med applikationer, der passer på tværs af andre materialesystemer.

Udvikling af bioinspirerede trælignende materialer

Porøse cementbaserede materialer har lav varmeledningsevne til varmeisolering, høj lydabsorberende effektivitet, fremragende permeabilitet for luft og vand, samtidig med at lav vægt og brandmodstand bevares. Imidlertid, det er stadig en nøgleudfordring at opnå den samtidige forbedring af både mekaniske og multifunktionelle egenskaber, herunder mekanisk støtte, effektiv transport og god varmeisolering. Det er derfor yderst ønskeligt at generere materialer med forbedrede mekaniske og multifunktionelle egenskaber for aktivt at implementere designprincipperne for naturligt træ. Under forsøgene, Wang et al. udviklet trælignende cement med ensrettet porøse arkitekturer dannet via en tovejs frysebehandlingsmetode. Processen gjorde det muligt at danne broer mellem strukturens bestanddele, holdet optøede derefter de fuldt frosne kroppe, indtil isen gradvist smeltede, og cementen hærdede. Den efterfølgende hydreringsproces producerede nye mineraler og geler i cementen, inklusive sekskantformet calciumhydroxid, nålelignende ettringit og calcium-silikat-hydrat geler. Faserne opstod hovedsageligt ved cementlamellerne og voksede ind i deres mellemrum under optøning og hærdningsprocessen for bedre strukturel integritet med forbedrede lamellforbindelser under porøs cementdannelse. Ved hjælp af røntgentomografi (XRT), holdet afslørede derefter dannelsen af ​​ensrettede mikroporer i den is-templatede cement.

Wang et al. brugte scanningselektronmikroskopi (SEM) billeder til at afsløre de ensrettede porer mellem lamellerne i den is-templatede cement, der omfattede en stor mængde af sammenkoblinger, der byggede bro mellem lamellerne. Holdet klassificerede sammenkoblingerne i tre typer:(1) broer og kryds dannet på grund af cementpartikler opslugt af iskrystaller under frysningsprocessen, (2) sekskantformet calciumhydroxid, og (3) nålelignende ettringit. Sidstnævnte mineraler er resultatet af hydratiseringsreaktioner af cement under optønings- og hærdningsprocesserne. Cementlamellerne indeholdt rigelige porer dannet under cementtørringsprocessen på grund af dehydrering af geler og fjernelse af vand. Forskerne klassificerede porerne i trælignende cement i tre typer, inklusive (1) interlamellære åbne porer, (2) intralamellære åbne porer og (3) intralamellære lukkede porer. Den interlamellære porøsitet var primært styret af vandindholdet, som spillede en rolle som poredannende middel.

Materialets mekaniske og multifunktionelle egenskaber

Holdet opnåede repræsentative trykspændings-belastningskurver af den trælignende cement med eller uden siliciumrøgtilsætninger til dens konstitution. Trykstyrken faldt monotont med de stigende vand/cement-forhold i de gyller, der blev brugt til at udvikle materialet, hvilket til sidst førte til øget porøsitet i cementen. Da materialets svigtbelastning steg med øget total porøsitet, styrken af ​​porøse faste stoffer kunne bestemmes af dets porøsitet. Holdet målte derefter den termiske konduktivitetskoefficient for is-templates, trælignende cement for at vise faldende varmeledningsevne med stigende porøsitet af materialet. De brugte også infrarøde (IR) billeder til tydeligt at observere de robuste varmeisoleringsegenskaber af det is-templatede cementmateriale. For at regulere den termiske isoleringseffektivitet, Wang et al. justeret den faste belastning i de cementholdige gyller ved at øge vand/cementindholdet. Det resulterende cementmateriale absorberede vand på grund af den hydrofile (vandattraktive) karakter af dets indre overflader. I modsætning, de kunne forhindre vand i at trænge ind i porerne ved at vandtætte overfladerne med et organosiliciummiddel; sådanne bestræbelser på hydrofobicitet kan endda få materialet til at flyde på vandet. Metoden kan derfor lette omskiftelige applikationer som gennemtrængelige eller vandtætte strukturer egnet som byggematerialer.

Udsigt til trælignende cementmaterialer

På denne måde Faheng Wang og kolleger præsenterede en isskabelonteknik som en levedygtig tilgang til at skabe ensrettede mikroporer til applikationer på tværs af keramik, polymerer, metaller og deres kompositter. Forskerne udviklede en frysetørrende behandlingsproces baseret på cements selvhærdende adfærd, når den er i kontakt med hydreringsreaktioner. Den resulterende trælignende cementarkitektur indeholdt en række porer i enten åbne eller lukkede former og en overflod af sammenkoblinger, der byggede bro mellem deres lameller. Når porøsiteten steg, cementens styrke faldt. Den trælignende cement havde også lavere varmeledningsevne og god vandgennemtrængelighed. Holdet kunne ændre cementmaterialet til at være enten vandafvisende eller vandattraktivt via hydrofob eller hydrofil behandling, henholdsvis. Den enkle og praktiske materialeudviklingsstrategi koblet til dens bestanddeles selvhærdende natur kan betydeligt forbedre tids- og omkostningseffektiviteten af ​​isskabelonteknikken til at danne bæredygtig beton med potentiale til at oversætte metoden til andre materialesystemer.

© 2021 Science X Network