轻量高强度超弹性3D纳米打印降世!


材料牛注:多年来科学家和工程师已在纳米尺度下合成许多材料,并应用它们的机械、光学和能量特性,但当致力于大规模地增加这些材料尺寸时,却导致其性能和结构完整性的衰减。

3D纳米

现在Xiaoyu "Rayne" Zheng(弗吉尼亚理工大学机械工程学助理教授)所领军的研究团队,已经在Nature Materials上发表了它们的研究,介绍一种新制程去创建轻量级、高强度且超弹性的3D打印金属纳米结构,并具有前所未有的延展性,其范围达到整整七个数量级的三维任意方向伸展。

值得注意的是,这些多尺度的金属材料表现出超弹性,因其设计具有3D分层结构排列以及纳米级中空管,使其相较于传统轻质金属和泡沫陶瓷来说,拥有超过400%的拉伸弹性。

构建的纳米特性的3D多层次分层结构,有利于每个需要结合刚度、强度、轻量、高弹性的地方,该结构能配件在宇宙、弹性盔甲、轻量汽车和电池上;换句话说,为航空航天、军事、汽车工业应用开启了一扇应用大门。

天然材料像是骨小梁和壁虎的脚趾,已经从微观到宏观生成多层次的三维结构,而人造材料目前尚未能控制这种微妙的结构特征。

「这种横跨七个数量级结构宽度的3D分层微结构产品,是至今前所未见的。」研究的主要作者兼研究团队领导者Zheng教授说,「透过多层次的3D结构将纳米功能装进材料里,你将会在厘米尺度下看到各种程序的机械性能;像是最小重量、最大强度和超弹性。

Zheng教授和他的同事使用这个制程创建的材料,对于数字光3D打印技术来说是一大创新,克服了在高分辨率和体积之间的权衡,这是目前3D微晶格和纳米晶格尺度下打印的主要限制。

在纳米尺度下可以制备出相关材料,像是石墨烯比钢强100倍,但若试图要增大其三维尺寸,强度将会降低八个数量级,换句话说,其强度将衰减1亿倍。

「能透过新的工艺制程来提高延展性和弹性,且不需要添加柔性聚合物,从而使此金属材料适用于柔性传感性和严酷环境下的电子器件,极端环境下更需要抗化学和耐温性。」Zheng教授说。

当光子从四面八方进入表面时,这些多层次的分层晶格可以用来采集光子能量,且不像传统的光伏板只能在表面,它也可以在内部晶格结构中搜集。该研究发掘的巨大潜能之一是能生产多功能的无机材料,如金属和陶瓷,去探索这些新材料的光子和能量搜集性能。

除了Zheng教授以外,团队成员还包括弗吉尼亚理工大学毕业的研究生Huachen Cui、来自Zheng组的Da Chen还有来自劳伦斯·利弗摩尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory,LLNL)的同事。该研究在LLNL能源部的定向研究和弗吉尼亚理工学院暨州立大学(Virginia Tech,VL)、弗吉尼亚州的SCHEV(State Council of Higher Education for Virginia)基金会以及国防高级计划研究局的支持下完成。

原文链接:Scientists develop way to upsize nanostructures into light, flexible 3-D printed materials

文献链接:Multiscale metallic metamaterials

本文由编辑部尉谷雨提供素材,洪聖哲编译,点我加入材料人编辑部

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