Superlet grafen og keramisk metamateriale har høj styrke, andre egenskaber

En ny fjervægt, flammesikkert og superelastisk "metamateriale" har vist sig at kombinere høj styrke med elektrisk ledningsevne og termisk isolering, foreslå potentielle anvendelser fra bygninger til rumfart.

Kompositten kombinerer nanolag af en keramik kaldet aluminiumoxid med grafen, som er et ekstremt tyndt ark kulstof. Selvom både keramikken og grafen er sprøde, det nye metamateriale har en honeycomb-mikrostruktur, der giver superelasticitet og strukturel robusthed. Metamaterialer er konstrueret med funktioner, mønstre eller elementer på skalaen af ​​nanometer, eller milliardtedele af en meter, at levere nye egenskaber til forskellige potentielle anvendelser.

Grafen nedbrydes normalt, når det udsættes for høje temperaturer, men keramikken giver høj varmetolerance og flammebestandighed, egenskaber, der kan være nyttige som varmeskjold til fly. Den lette vægt, højstyrke og stødabsorberende egenskaber kan gøre kompositten til et godt substratmateriale til fleksible elektroniske enheder og "store belastningssensorer." Fordi det har høj elektrisk ledningsevne og alligevel er en fremragende termisk isolator, det kan bruges som et flammehæmmer, termisk isolerende belægning, samt sensorer og enheder, der omdanner varme til elektricitet, sagde Gary Cheng, en lektor ved School of Industrial Engineering ved Purdue University.

"Dette materiale er lettere end en fjer, " sagde han. "Tætheden er virkelig lav. Den har et meget højt styrke-til-vægt-forhold."

Resultaterne blev beskrevet detaljeret i et forskningspapir offentliggjort den 29. maj i tidsskriftet Avancerede materialer . Avisen var et samarbejde mellem Purdue, Lanzhou University og Harbin Institute of Technology, både i Kina, og U.S. Air Force Research Laboratory. Et forskningshøjdepunkt om arbejdet dukkede op i tidsskriftet Naturforskningsmaterialer .

"De enestående egenskaber ved nutidens keramik-baserede komponenter er blevet brugt til at muliggøre mange multifunktionelle applikationer, inklusive termisk beskyttende skind, intelligente sensorer, elektromagnetisk bølgeabsorption og antikorrosionsbelægninger, " sagde Cheng.

Imidlertid, Keramisk-baserede materialer har flere grundlæggende flaskehalse, der forhindrer deres allestedsnærværende brug som funktionelle eller strukturelle elementer.

"Her, vi rapporterer et multifunktionelt keramisk-grafen-metamateriale med mikrostruktur-afledt superelasticitet og strukturel robusthed, " Cheng sagde. "Vi opnåede dette ved at designe en hierarkisk honeycomb mikrostruktur samlet med multi-nanolag cellulære vægge, der tjener som grundlæggende elastiske enheder. Dette metamateriale demonstrerer en sekvens af multifunktionelle egenskaber samtidigt, som ikke er blevet rapporteret for keramik og keramik-matrix-kompositstrukturer."

Kompositmaterialet er lavet af indbyrdes forbundne celler af grafen, der er klemt mellem keramiske lag. Grafen stilladset, omtalt som en aerogel, er kemisk bundet med keramiske lag ved hjælp af en proces kaldet atomlagsaflejring.

"Vi kontrollerer omhyggeligt geometrien af ​​denne grafen aerogel, " sagde han. "Og så afsætter vi meget tynde lag af keramikken. Den mekaniske egenskab ved denne aerogel er multifunktionel, hvilket er meget vigtigt. Dette arbejde har potentialet til at gøre grafen til et mere funktionelt materiale."

Processen kan skaleres op til industriel fremstilling, han sagde.

Fremtidigt arbejde vil omfatte forskning for at forbedre materialets egenskaber, muligvis ved at ændre dens krystallinske struktur, opskalering af processen til fremstilling og kontrol af mikrostrukturen for at justere materialeegenskaber.