麻省理工学院工程师设计新的石墨烯3D形式 2017-05-02 12:06:11

$888.88
所属分类 :基金

此图显示了三维石墨烯的拉伸和压缩测试的模拟结果麻省理工学院的一组工程师成功地设计了一种新的3D材料,其钢的密度为5%,强度是其十倍,使其成为最强的轻质材料之一众所周知麻省理工学院的一组研究人员设计了一种最强的轻质材料,通过压缩和融合石墨烯片,一种二维形式的碳

新材料,海绵状配置,密度仅为5%,可以其强度是钢的10倍在二维形式中,石墨烯被认为是所有已知材料中最强的石墨烯

但到目前为止,研究人员很难将这种二维强度转化为有用的三维材料

表明新三维形式的关键方面与其不寻常的几何配置有关,而不是与材料本身有关,这表明类似强轻质材料可以通过创建相似的几何特征由各种材料制成

今天在“科学进展”杂志上发表的研究报告中,麻省理工学院土木与环境工程系(CEE)负责人Markus Buehler撰写了一篇论文

迈克菲工程学教授;赵勤,中东欧研究科学家; Gang Seob Jung,研究生;和Min Jeong Kang MEng '16,最近毕业的其他团体提出了这种轻量级结构的可能性,但到目前为止实验室实验未能与预测相匹配,有些结果表现出比预期强度低几个数量级的麻省理工学院团队决定通过分析材料的行为直到结构内单个原子的水平来解决这个谜团他们能够产生一个非常接近实验观察的数学框架二维材料 - 基本上平板只有一个原子的厚度,但可以在其他方面无限大 - 具有卓越的强度和独特的电气性能但由于它们非常薄,“它们对于制造可用于车辆,建筑物或设备的三维材料并不十分有用,”Buehler说“我们所做的是实现将这些二维材料转化为三维结构的愿望“团队能够利用热和压力的组合压缩小片石墨烯这个过程产生了一个强大,稳定的结构,其形状类似于一些珊瑚和称为硅藻的微观生物这些形状,具有巨大的表面积比例事实证明,他们的体积非常强大“一旦我们创造了这些三维结构,我们就想看看极限是什么 - 我们可以生产的最强材料是什么,”秦说,他们创造了各种各样的3- D模型,然后进行各种测试在计算模拟中,模拟拉伸加载机器中进行的拉伸和压缩测试中的加载条件,“我们的一个样品的钢密度为5%,但是强度的10倍, “秦说Buehler说他们的三维石墨烯材料会发生什么变化,这种材料由变形后的曲面组成,类似于纸张纸张所发生的情况

沿着它的长度和宽度具有很小的强度,并且可以容易地被弄皱但是当制成某些形状时,例如卷成管,突然沿着管的长度的强度更大并且可以支撑相当大的重量同样地,几何形状处理后石墨烯薄片的排列自然形成一个非常强大的配置新的配置是在实验室中使用高分辨率,多材料3-D打印机进行的

他们进行了机械测试,了解它们的拉伸和压缩性能,以及它们在加载时的机械响应使用团队的理论模型进行模拟实验和模拟的结果准确匹配基于麻省理工学院团队的原子计算建模,新的,更准确的结果排除了其他团队先前提出的可能性:它可能是三维石墨烯结构非常轻,实际上比空气轻,可以用作气球中氦气的持久替代品 然而,目前的工作表明,在如此低的密度下,材料不会具有足够的强度并且会从周围的空气压力中坍塌

但研究人员说,这种材料的许多其他可能的应用最终都是可行的,用于需要极端强度和重量轻的结合“你可以使用真正的石墨烯材料,也可以使用我们发现的其他材料,如聚合物或金属,”Buehler说,以获得类似的强度优势以及成本,加工方法的优势,或者其他材料特性(例如透明度或导电性)“你可以用任何东西替换材料本身,”Buehler说“几何是主要因素它有可能转移到许多东西”石墨烯的不寻常的几何形状在热和压力下自然形成看起来像一个Nerf球 - 圆形,但充满洞这些形状,kno作为陀螺仪,它们非常复杂,“实际上使用传统的制造方法制造它们可能是不可能的”,Buehler说团队使用了3D结构的三维模型,放大到自然尺寸的数千倍,用于测试目的合成,研究人员说,一种可能性是使用聚合物或金属颗粒作为模板,在加热和加压处理之前通过化学气相沉积用石墨烯涂覆它们,然后化学或物理地去除聚合物或金属相以留下3-D石墨烯在螺旋形式中,当前研究中给出的计算模型提供了评估合成输出的机械质量的指导方针相同的几何形状甚至可以应用于大规模结构材料,他们建议例如,用于结构的混凝土这样的桥梁可以用这种多孔几何形状制成,提供与重量的一小部分相当的强度

这种方法将具有额外的由于其内部有大量的封闭空间,因此具有良好的绝缘性,因为该形状充满了非常微小的孔隙空间,该材料也可用于某些过滤系统,用于水或化学处理

该组的数学描述研究人员说:“这是对三维石墨烯组装力学的一项鼓舞人心的研究,”布朗大学工程学教授高华建表示,他没有参与这项工作

本文中使用的计算建模与基于3D打印的实验相结合,是工程研究中一种强有力的新方法

令人印象深刻的是,在3-D的帮助下,宏观实验中最初衍生自纳米级模拟的缩放规律重新出现

印刷,“他说这项工作,高说,”显示了一个有希望的方向,带来二维材料的强度和马的力量这项研究得到了海军研究办公室,国防部多学科研究计划和巴斯夫北美先进材料研究中心研究所的支持:赵勤等,“机械与设计一种轻质的三维石墨烯组件,“Science Advances 06 Jan 2017:Vol 3,no 1,e1601536; DOI:101126 / sciadv1601536资料来源:麻省理工学院新闻大卫L钱德勒