Rør-i-rør struktur bliver stærk

I lighed med græsstængler har forskere fra Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) skabt nanostrut-forbundne rør-i-rør, der muliggør stærkere strukturelle materialer med lav tæthed.

Porøse materialer med konstruerede strækningsdominerede gitterdesigns, som tilbyder attraktive mekaniske egenskaber med ultralet vægt og stort overfladeareal til vidtgående anvendelser, har for nylig opnået næsten ideel lineær skalering mellem stivhed og tæthed.

I den nye forskning udviklede holdet en proces til at transformere fuldt tætte, 3D-printede polymere bjælker til grafitiske, hule kulstofrør-i-rør-sandwichstrukturer, hvor de indre og ydre rør, i lighed med græsstængler, er forbundet gennem et netværk af stivere. Forskningen er på forsiden af ​​25. oktober-udgaven af ​​Nature Materials .

Kompressionstest og beregningsmodellering viser, at denne ændring i strålemorfologi dramatisk bremser faldet i stivhed med faldende tæthed. Kompressionseksperimenter viste yderligere stor deformationsgenvinding efter 30 procent til 50 procent kompression, hvilket førte til høje gravimetriske energispredningsegenskaber.

Porøse materialer med ultralav densitet har mange nye anvendelsesmuligheder, såsom mekaniske støddæmpere, termisk og akustisk isolering, fleksible batteri- og katalysatorstilladser, MEMS-enheder og som målmaterialer til fysikeksperimenter med høj energitæthed.

"Nogle af disse applikationer vil drage fordel af at reducere den inaktive carbonmaterialetæthed, mens de stadig giver et højt specifikt overfladeareal kombineret med høje stivheds- og formgendannelsesegenskaber," sagde LLNL-materialeforsker Jianchao Ye, medforfatter af papiret. "Tænk på batterier eller katalysatorer:Den unikke rør-i-rør-struktur kombinerer fremragende mekaniske egenskaber med lav tæthed og giver et stort overfladeareal til energilagring eller katalysatorer med lette massetransportveje."

Lignende sandwichpaneldesign med integrerede bærende stivere findes også i naturen, hvor let vægt og gode mekaniske egenskaber er vigtige. Eksempler omfatter kranier af forskellige arter, stængler af planter og fugleknogler. Mens den nye strutted tube-in-tube (STinT) kulstofstruktur ligner arkitekturen af ​​dyrekranier og plantestængler, er dens karakteristiske længdeskala størrelsesordener mindre.

For at overvinde udfordringen med hurtigt at forringe mekaniske egenskaber med faldende tæthed, udviklede holdet det stive STinT-design. Specifikt fremstillede de kulstofbaserede mikrogitter med integreret STinT-strålemorfologi gennem en to-trins nikkel-katalyseret skabelon-pyrolyse-proces. Denne fremstillingsproces opretholder strukturen og dimensionerne af offerpolymerskabelonen, som er trykt, for at levere bemærkelsesværdigt stive carbongitre med tætheder så lave som 6,4 mg/cm3.

"Vi tilskriver stivheden af ​​vores kulstofgitre med lav densitet til det integrerede nanoskala afstiverede rør-i-rør bjælkedesign, der muliggør lette, men stive gitterbyggeklodser, et designkoncept, der kan anvendes ortogonalt til den nuværende gittertopologioptimeringsindsats," sagde LLNL materialeforsker Juergen Biener, en medforfatter af papiret. + Udforsk yderligere

Nye 3-D-printede gitterdesigns trodser konventionel visdom om metamaterialer