En ny tilgang til afbalancering af egenskaber i kompositmaterialer

Dr. Amir Asadi, en assisterende professor i afdelingen for ingeniørteknologi og industriel distribution ved Texas A&M University, gør banebrydende fremskridt inden for kompositmaterialer. Hans forskning udforsker indlejring af mønstrede nanostrukturer sammensat af flere materialer i højtydende kompositter for at opnå den ønskede multifunktionalitet uden at ofre andre egenskaber. Dette kan føre til fremskridt på forskellige områder, herunder elektronik, energilagring, transport og forbrugerprodukter.

Asadis arbejde har betydelige implikationer, da det adresserer udfordringen med samtidig at forbedre to egenskaber - multifunktionalitet og strukturel integritet - i kompositmaterialer, som består af mindst to materialer med forskellige egenskaber. Ved at inkorporere mønstrede nanostrukturer sigter han mod at overvinde den afvejning, der typisk observeres mellem disse egenskaber, og eliminerer behovet for at ofre den ene for at forbedre den anden i de nuværende fremstillingsmetoder. Værket er publiceret i tidsskriftet Advanced Materials .

Han forklarer:"I øjeblikket betragtes fremstilling af materialer med samtidig maksimeret funktionalitet og strukturel ydeevne som paradoksalt. For eksempel reducerer øget elektrisk ledningsevne ofte styrken eller omvendt; øget styrke reducerer normalt brudsejheden."

Asadi henter dog inspiration fra naturlige strukturer, såsom elefantsnammen, som besidder tilsyneladende uforenelige egenskaber og funktionalitet.

"Naturlige strukturer med egenskaber, der anses for at være inkompatible i nutidens teknik, findes allerede, såsom en elefantsnabel, der samtidig er stiv og stærk, men også fleksibel og delikat til at håndtere små grøntsager, samtidig med at den har kommunikations- og sansningsfunktioner, alt sammen opstået fra dens muskulære hydrostatarkitektur."

Forskerholdet brugte en unik metode til at justere, hvor meget et materiale absorberer vand eller afviser det, kendt som amfifilicitetsgraden, i flere nanomaterialer. Ved at bruge disse materialer skabte og kombinerede de specifikke mønstre kaldet ring- og skivemønstre, som styrer de endelige egenskaber af kompositmaterialer.

For at gøre dette brugte de et præcist sprøjtesystem med kuldioxid (CO₂). ) for at afsætte mønstrene på overfladen af ​​kulfibre. Dette gjorde det muligt for dem at kontrollere størrelsen af ​​dråberne, mønstrene i mikroskopisk skala og materialernes interaktioner og i sidste ende opnå de ønskede egenskaber. I denne undersøgelse leverede vanddråber nanomaterialerne til overfladen af ​​kulfibre ved hjælp af sprøjtesystemet.

"Vi udviklede en ny sprøjteteknik, kaldet superkritisk-CO₂ assisteret atomisering, som udnytter egenskaberne af superkritisk CO₂ og dets høje opløsning i vand, der kan skabe flere små dråber inde i en suspension bestående af vand og nanomaterialer," sagde Dr. Dorrin Jarrahbashi, medforfatter til gruppens tidsskriftsartikel, "Multifunctionality Through Embedding Patterned Nanostructures in High-Performance Composites."

"I modsætning til konventionelle tilgange, hvor materialer med ønskede iboende egenskaber integreres for at tilføje funktionalitet, introducerer denne forskning konceptet med at integrere nanomønstre og viser, at forskellige mønstre fra det samme materiale vil føre til forskellige egenskaber i makroskala-kompositter," sagde Asadi. "Hvis samtidig forbedring af funktionalitet og strukturelle egenskaber er målet, kan mønstre kombineres og synergistisk forbedre alle ønskede egenskaber."

Der er forskellige fordele ved Asadis tilgang. Det tilbyder en praktisk, skalerbar, økonomisk levedygtig metode til at skabe nanostrukturerede materialer og komponenter med justerbare egenskaber. Brugen af ​​forskellige materialer og præcis kontrol over arkitekturen i skalaer i flere længder øger kompositternes alsidighed og tilpasningspotentiale.

Efterhånden som forskningen skrider frem, vil Asadis arbejde sandsynligvis revolutionere fremstillingen af ​​højtydende kompositmaterialer.

Den potentielle effekt af denne forskning strækker sig ud over det videnskabelige samfund. "Forskning lover at påvirke liv," sagde Asadi. "Den introducerede enkle, men skalerbare teknik vil reducere de endelige omkostninger ved indviklede og komplekse enheder og udvide fremstillingen af ​​nanostrukturerede kompositter, hvilket bidrager til den amerikanske økonomi og arbejdsmarked. Dette kan resultere i forbedrede enheder, mere effektive energisystemer og innovative produkter, der forbedrer hverdag."

Flere oplysninger: Ozge Kaynan et al., Multifunktionalitet gennem indlejring af mønstrede nanostrukturer i højtydende kompositter, Avancerede materialer (2023). DOI:10.1002/adma.202300948

Journaloplysninger: Avanceret materiale

Leveret af Texas A&M University