Металлическая микрорешетка
Металлическая микрорешетка представляет собой синтетический пористый металлический материал, состоящий из сверхлегкой металлической пены . С плотностью всего 0,99 мг/см. 3 (0,00561 фунт/фут 3 ), это один из самых легких конструкционных материалов, известных науке. [1] Он был разработан командой ученых из калифорнийских и лабораторий HRL в сотрудничестве с исследователями из Калифорнийского университета в Ирвайне Калифорнийского технологического института и впервые был анонсирован в ноябре 2011 года. Образцы-прототипы были изготовлены из никель - фосфорного сплава. [2] В 2012 году прототип микрорешетки был объявлен одной из 10 инноваций, изменивших мир по версии журнала Popular Mechanics . [3] Технология металлических микрорешеток имеет множество потенциальных применений в автомобильной и авиационной технике . [4] Подробный сравнительный обзор среди других типов металлических решетчатых конструкций показал, что они выгодны с точки зрения легкости, но дороги в производстве. [5]
Синтез
[ редактировать ]Чтобы создать металлическую микрорешетку, команда HRL/UCI/Калифорнийского технологического института сначала подготовила полимерный шаблон, используя метод, основанный на формировании самораспространяющихся волноводов . [6] [7] хотя было отмечено, что для изготовления шаблона можно использовать и другие методы. [8] В ходе процесса УФ-свет пропускался через перфорированную маску в резервуар с УФ-отверждаемой смолой . Волоконно-оптический « самозахват» света происходил по мере того, как смола затвердевала под каждым отверстием в маске, образуя тонкое полимерное волокно на пути света. Используя несколько световых лучей, несколько волокон могут затем соединяться, образуя решетку.
Этот процесс был похож на фотолитографию тем, что для определения исходной структуры шаблона использовалась двумерная маска, но отличался скоростью формирования: в то время как для создания полной структуры стереолитографии могли потребоваться часы, процесс самоформирующегося волновода позволял шаблонам сформироваться за 10–100 секунд. Таким образом, этот процесс позволяет быстро и масштабируемо формировать большие отдельно стоящие 3D-решетчатые материалы. Затем шаблон был покрыт тонким слоем металла методом химического никелирования , после чего шаблон вытравлен, оставляя автономную периодическую пористую металлическую структуру. В оригинальном отчете в качестве металла микрорешетки использовался никель. Благодаря процессу электроосаждения материал на 7% состоял из растворенных атомов фосфора и не содержал осадков . [8]
Характеристики
[ редактировать ]Металлическая микрорешетка состоит из сети взаимосвязанных полых стоек. В описанном образце микрорешетки с наименьшей плотностью каждая стойка имеет диаметр около 100 микрометров и толщину стенки 100 нанометров . Готовая конструкция на 99,99% состоит из воздуха. [2] и по соглашению масса воздуха исключается при расчете плотности микрорешетки. [8] С учетом массы порового воздуха истинная плотность структуры составляет примерно 2,1 мг/см. 3 (2,1 кг/м 3 ), что всего лишь примерно в 1,76 раза превышает плотность самого воздуха при 25 °C. По описаниям, этот материал в 100 раз легче пенополистирола . [9] Микрорешетки также могут быть в 100 раз прочнее обычных полимеров. [10]
Металлические микрорешетки характеризуются очень низкой плотностью: рекорд 2011 г. составляет 0,9 мг/см. 3 будучи одним из самых низких значений среди всех известных твердых тел. Предыдущий рекорд 1,0 мг/см. 3 удерживался кремнезема аэрогелями , а аэрографит , как утверждается, имел плотность 0,2 мг/см. 3 . [11] Механически эти микрорешетки по поведению подобны эластомерам и практически полностью восстанавливают свою форму после значительного сжатия. [12] Это дает им значительное преимущество перед более ранними аэрогелями, которые представляли собой хрупкие стеклоподобные вещества. Это эластомерное свойство металлических микрорешеток, кроме того, приводит к эффективному поглощению ударов. Их модуль Юнга E имеет различный масштаб с плотностью ρ, E ~ ρ. 2 , по сравнению с E ~ ρ 3 в аэрогелях и из углеродных нанотрубок . пенопластах [8]
Приложения
[ редактировать ]Металлическая микрорешетка может найти потенциальное применение в тепловых и виброизоляторах, таких как амортизаторы , а также может оказаться полезной в качестве электродов аккумуляторов и подложек катализаторов. [8] Кроме того, способность микрорешеток возвращаться в исходное состояние после сжатия может сделать их пригодными для использования в пружинных накопителях энергии. [2] Производители автомобилей и авиации [ который? ] используют технологию микрорешеток для разработки чрезвычайно легких и эффективных конструкций, которые объединяют множество функций, таких как усиление конструкции и передача тепла, в единые компоненты для высокопроизводительных транспортных средств. [4]
Похожие материалы
[ редактировать ]Подобный, но более плотный материал, состоящий из электроосажденного слоя нанокристаллического никеля поверх полимерной фермы быстрого прототипирования , был создан исследователями из Университета Торонто в 2008 году. [13] В 2012 году немецкие исследователи создали углеродную пену, известную как аэрографит , с еще меньшей плотностью, чем металлическая микрорешетка. [14] на основе углерода В 2013 году китайские учёные разработали аэрогель , который, как утверждалось, ещё легче. [1]
Нанорешетки , такие как наноструктуры на основе трубок, представляют собой аналогичные структуры в меньшем масштабе.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б «На фото: Сверхлегкий материал» . Би-би-си. 9 апреля 2013 года . Проверено 1 июля 2013 г.
- ^ Jump up to: а б с «Металлическая микрорешетка «самая легкая конструкция на свете» » . Химический мир. 17 ноября 2011 года. Архивировано из оригинала 26 января 2012 года . Проверено 21 ноября 2011 г.
- ^ Стерлинг, Роберт (29 октября 2012 г.). «Самый легкий материал в мире» . Боинг. Архивировано из оригинала 2 ноября 2012 года . Проверено 2 ноября 2012 г.
- ^ Jump up to: а б «МИКРОРЕШЕТКА: КАК РЕВОЛЮЦИОННЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ ПРИНОСЯТ ПОЛЬЗУ МИРОВЫМ ПРОИЗВОДИТЕЛЯМ» . Институт инженеров-механиков . 28 февраля 2013 г. Архивировано из оригинала 25 февраля 2015 г. Проверено 25 февраля 2015 г.
- ^ Рашед, МГ; Ашраф, Махмуд; Мины, РАО; Хейзелл, Пол Дж. (2016). «Металлические микрорешетчатые материалы: современное состояние производства, механические свойства и применение». Материалы и дизайн . 95 : 518–533. дои : 10.1016/j.matdes.2016.01.146 .
- ^ Якобсен, AJ; Барвоса-Картер, Всемирный банк; Натт, С. (2007). «Микромасштабные ферменные конструкции, образованные из самораспространяющихся фотополимерных волноводов». Продвинутые материалы . 19 (22): 3892–3896. Бибкод : 2007AdM....19.3892J . дои : 10.1002/adma.200700797 . S2CID 137188553 .
- ^ Патент США 7382959 , Алан Дж. Джейкобсен, «Оптически ориентированные трехмерные полимерные микроструктуры», передан HRL Laboratories, LLC.
- ^ Jump up to: а б с д и Шедлер, Т.А.; Якобсен, AJ; Торрентс, А.; Соренсен, А.Е.; Лиан, Дж.; Грир, младший; Вальдевит, Л.; Картер, Всемирный банк (12 октября 2011 г.). «Сверхлегкие металлические микрорешетки». Наука . 334 (6058): 962–5. Бибкод : 2011Sci...334..962S . дои : 10.1126/science.1211649 . ПМИД 22096194 . S2CID 23893516 .
- ^ «Американские инженеры представили «самый легкий материал в мире» . Новости Би-би-си. 18 ноября 2011 года . Проверено 25 ноября 2011 г.
- ^ Университет Гонконга (8 сентября 2022 г.). «Недавно разработанные «микрорешетки» легче и в 100 раз прочнее обычных полимеров» . Интересная инженерия. дои : 10.1016/j.matt.2022.08.010 . S2CID 252031036 .
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ «Новая структура аэрографита из углеродных нанотрубок - чемпион по легкости материала» . Физика.орг. 13 июля 2012 г. Проверено 14 июля 2012 г.
- ^ Стивен Шенкленд (18 ноября 2011 г.). «Прорывной материал едва ли больше воздуха» . CNET . Проверено 26 апреля 2013 г.
- ^ Гордон, LM; Боувейс, бакалавр; Суральво, М.; МакКри, Дж.Л.; Палумбо, Г.; Хиббард, Джорджия (2009). «Микроферменные нанокристаллические гибриды Ni». Акта Материалия . 57 (3): 932–939. Бибкод : 2009AcMat..57..932G . дои : 10.1016/j.actamat.2008.10.038 .
- ^ «Аэрографит: исследователи разработали самый легкий легкий материал» . Зеркало (на немецком языке). 11 июля 2012 года . Проверено 1 июля 2013 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Видео сжатия металлической микрорешетки на YouTube.