Большой

10 августа 2017 г.

Эмиль Венере, Университет Пердью

Было показано, что новый легкий, огнестойкий и сверхэластичный «метаматериал» сочетает в себе высокую прочность с электропроводностью и теплоизоляцией, что предполагает потенциальное применение от зданий до аэрокосмической отрасли.

Композит сочетает в себе нанослои керамики, называемой оксидом алюминия, и графен, который представляет собой чрезвычайно тонкий лист углерода. Хотя и керамика, и графен хрупкие, новый метаматериал имеет сотовую микроструктуру, обеспечивающую сверхэластичность и структурную прочность. Метаматериалы создаются с особенностями, узорами или элементами в масштабе нанометров или миллиардных долей метра, обеспечивая новые свойства для различных потенциальных применений.

Графен обычно разлагается под воздействием высокой температуры, но керамика обеспечивает высокую термостойкость и огнестойкость — свойства, которые могут быть полезны в качестве теплового экрана для самолетов. Легкий вес, высокая прочность и амортизирующие свойства могут сделать композит хорошим материалом-подложкой для гибких электронных устройств и «датчиков большой деформации». Поскольку он обладает высокой электропроводностью и в то же время является отличным теплоизолятором, его можно использовать в качестве огнестойкого, теплоизоляционного покрытия, а также в качестве датчиков и устройств, преобразующих тепло в электричество, сказал Гэри Ченг, доцент Школы. факультет промышленной инженерии в Университете Пердью.

«Этот материал легче пера», — сказал он. «Плотность действительно низкая. У него очень высокое соотношение прочности к весу».

Результаты были подробно описаны в исследовательской статье, опубликованной 29 мая в журнале Advanced Materials. Работа стала результатом сотрудничества Purdue, Университета Ланьчжоу и Харбинского технологического института в Китае, а также Исследовательской лаборатории ВВС США. Обзор исследования об этой работе появился в журнале Nature Research Materials.

«Выдающиеся свойства современных компонентов на основе керамики используются во многих многофункциональных приложениях, включая термозащитную оболочку, интеллектуальные датчики, поглощение электромагнитных волн и антикоррозионные покрытия», — сказал Ченг.

Однако материалы на основе керамики имеют несколько фундаментальных недостатков, которые препятствуют их повсеместному использованию в качестве функциональных или структурных элементов.

«Мы сообщаем о многофункциональном керамико-графеновом метаматериале со сверхэластичностью и структурной прочностью, обусловленной микроструктурой», — сказал Ченг. «Мы достигли этого, разработав иерархическую сотовую микроструктуру, состоящую из многослойных клеточных стенок, служащих основными упругими единицами. Этот метаматериал одновременно демонстрирует последовательность многофункциональных свойств, о которых не сообщалось для керамики и структур керамика-матрица-композит».

Композитный материал состоит из взаимосвязанных ячеек графена, зажатых между керамическими слоями. Графеновый каркас, называемый аэрогелем, химически связан с керамическими слоями с помощью процесса, называемого осаждением атомного слоя.

«Мы тщательно контролируем геометрию этого графенового аэрогеля», — сказал он. «А затем мы наносим очень тонкие слои керамики. Механические свойства этого аэрогеля многофункциональны, что очень важно. Эта работа потенциально может сделать графен более функциональным материалом».

По его словам, этот процесс может быть расширен для промышленного производства.

Будущая работа будет включать исследования по улучшению свойств материала, возможно, путем изменения его кристаллической структуры, масштабирования процесса производства и контроля микроструктуры для настройки свойств материала.

Больше информации: Цянцян Чжан и др. Легкий вес, сверхэластичный, электропроводящий и огнестойкий трехмерный многонанослойный графен/керамический метаматериал, современные материалы (2017). DOI: 10.1002/adma.201605506