Teadlased töötavad välja uue protsessi, et 3-D trükkida üks tugevaimaid materjale maa peal

Suspense: Will You Make a Bet with Death / Menace in Wax / The Body Snatchers (Aprill 2019).

Anonim

Virginia Techi ja Lawrence'i Livermore'i riikliku labori teadlased on välja töötanud uudse viisi 3-D prügikomplekssetele objektidele, mis on üks aku- ja kosmosetööstuses kasutatavatest kõige kõrgemate tulemustega materjale.

Varem võisid teadlased printida seda materjali, mida tuntakse grafeenina, ainult 2-D lehtedena või põhistruktuure. Kuid Virginia Techi insenerid on nüüd teinud koostööd projektiga, mis võimaldab neil 3-D graafiini objektidest suurema resolutsiooniga printimiseks printimiseks suurem kui kunagi varem, mis avab võime teoreetiliselt luua grafeeni suuruse või kuju.

Tänu oma tugevusele on grafeen üks tugevaimaid materjale, mida Maal kunagi katsetati, ning selle kõrge termomeeter ja elektrijuhtivus, on teatud tööstusharudes, sealhulgas patareides, kosmoselennunduses, eraldamisel, soojusjuhtimises, sensorites 3-D graafineeritud graafine objektid ja katalüüsi.

Grafeen on ühekihiline süsinikuaatomite kiht, mis on paigutatud heksagonaalsesse võrestikku. Kui grafeeni lehed asetsevad üksteise peal korrapäraselt kokku ja moodustuvad kolmemõõtmelisest kujust, muutub see grafiidiks, mida üldiselt nimetatakse pliiatsitena pliidiks.

Kuna grafiit on lihtsalt grapheiniga kokku pandud, on sellel üsna halb mehaanilised omadused. Kuid kui grafeeni lehed eraldatakse õhuga täidetud pooridega, saab kolmemõõtmeline struktuur säilitada selle omadused. Seda poorse grafeeni struktuuri nimetatakse grafeeni õhugelliks.

"Nüüd saab disainer kujundada kolmemõõtmelist topoloogiat, mis koosneb grafoprojektori ühendatud lehtedest, " ütles Xiaoyu "Rayne" Zheng, tehnikakolledzi mehaanikateaduskonna osakonnas ning kõrgemate tootmis- ja metamaterjalide labori direktor. "See uus disaini ja tootmisvabadus toob kaasa jõu, juhtivuse, massi transpordi, tugevuse ja kaalu tiheduse optimeerimise, mida grafeeni aerogellides pole võimalik saavutada."

Zheng, samuti Macromolecules Innovation Instituudi teadur, on saanud stipendiume nanoosakeste materjalide uurimiseks ja skaala laiendamiseks kergete ja funktsionaalsete materjalide jaoks kosmosesõidukite, autode ja patareide rakenduste jaoks.

Varem võisid teadlased printida grafeeni ekstrusiooniprotsessi abil, pigem pigistades hambapastasid, kuid see tehnika võib luua ainult lihtsaid esemeid, mis on ennast peal asetatud.

"Selle tehnikaga on väga piiratud struktuure, mida saate luua, sest pole toetust ja resolutsioon on üsna piiratud, nii et te ei saa vabakomponentide tegureid, " ütles Zheng. "Mida me teeme, on see, et grafeeni kihid saaksid kõrgelt eraldusvõimeliste arhitektuuridega kujundada."

See projekt algas kolm aastat tagasi, kui artikli autor on Ryan Hensleigh ja nüüd kolmanda aasta Macromolecular Science and Engineering Ph.D. üliõpilane, alustas internatuuri Californias Livermoreis asuvas Lawrence Livermore'i riiklikus laboris. Hensleigh alustas tööd Zhengiga, kes oli siis Lawrence Livermore'i rahvusliku laboratooriumi tehnilise personali liige. Kui Zheng liitus Virginia Techi õppejõuga 2016. aastal, siis järgnes Hensleigh üliõpilasena ja jätkas selle projektiga tegelemist.

Nende keerukate struktuuride loomiseks alustas Hensleigh grafeenoksiidiga, grafeeni prekursoriga, lehtede ristsidumist, et moodustada poorse hüdrogeeli. Grafeeni oksiid-hüdrogeeli purustamiseks ultraheliga ja valgustundlike akrülaatpolümeeride lisamisega võib Hensleigh kasutada projektsiooniga mikro-steriolütograafiat, et luua soovitud tahke 3-D struktuur graafineoksiidiga, mis on lõksus akrülaatpolümeeri pikkade jäikade ahelate kaudu. Lõpuks paigutas Hensleigh 3-D struktuuri ahju, et põletada polümeerid ja ühendada objekt kokku, jättes puhta ja kerge grafeine-õhugelae maha.

"See on oluline läbimurre võrreldes sellega, mis on tehtud, " ütles Hensleigh. "Me saame pääseda peaaegu igale soovitud struktuurile, mida soovite." Selle töö peamine järeldus, mis ajakirjanduses Materials Horizons avaldati hiljuti koos Lawrence Livermore'i riikliku laboratooriumi koostajatega, oli see, et teadlased lõid grapheinistruktuurid resolutsiooniga suurusjärgus peenemateks kui kunagi varem trükitud. Hensleigh ütles, et teised protsessid võivad printida kuni 100 mikronit, kuid uus tehnoloogia võimaldab tal printida kuni 10 mikronini resolutsiooniga, mis on ligilähedane tegelike grafeeni lehtede suurusele.

"Me oleme suutnud näidata, et te saate grafeeni keeruka, kolmemõõtmelise arhitektuuri, säilitades samal ajal mõned selle peamised omadused, " ütles Zheng. "Tavaliselt, kui proovite graafeeni 3-D printimist või suurenemist, kaotate enamus oma kasumlikest mehaanilistest omadustest, mis on leitud selle ühe lehe vormis."

menu
menu