Металлическая микрорешетка - Metallic microlattice

Блок металлической микрорешетки, поддерживаемый одуванчик семенная головка.

А металлическая микрорешетка синтетический пористый металлический материал, состоящий из сверхлегкий металлическая пена. С плотность всего 0,99 мг / см3 (0,00561 фунт / фут3), это один из самых легких конструкционных материалов, известных науке.[1] Его разработала группа ученых из Калифорния -основан Лаборатории HRL, в сотрудничестве с исследователями Калифорнийский университет в Ирвине и Калтех, и впервые было объявлено в ноябре 2011 года. Образцы прототипов были изготовлены из никель -фосфор сплав.[2] В 2012 году прототип микрорешетки был объявлен одной из 10 инноваций, меняющих мир. Популярная механика.[3] У технологии металлических микроперерешеток есть множество потенциальных применений в автомобильный и авиационная техника.[4] Подробный сравнительный обзор других типов металлических решетчатых структур показал, что они полезны для легких целей, но дороги в производстве.[5]

Синтез

Чтобы создать свою металлическую микросрешетку, команда HRL / UCI / Caltech сначала подготовила полимер шаблон с использованием техники, основанной на самораспространяющихся волновод формирование[6][7] хотя было отмечено, что для изготовления шаблона можно использовать и другие методы.[8] Процесс прошел УФ-излучение через перфорированную маску в резервуар с УФ-отверждаемым смола. Оптоволокно -подобно "самозахват" света происходило, когда смола затвердевала под каждым отверстием в маске, образуя тонкое полимерное волокно на пути света. Используя несколько световых лучей, можно затем соединить несколько волокон, образуя решетку.

Процесс был похож на фотолитография в том, что он использовал двумерную маску для определения начальной структуры шаблона, но отличался скоростью формирования: где стереолитография Создание полной структуры могло занять несколько часов, процесс самоформирующегося волновода позволял формировать шаблоны за 10–100 секунд. Таким образом, процесс позволяет быстро и масштабируемо формировать большие отдельно стоящие трехмерные решетчатые материалы. Затем шаблон был покрыт тонким слоем металла путем химическое никелирование, и шаблон вытравливается, оставляя отдельно стоящий периодический пористая металлическая структура. В исходном отчете в качестве металла микрочастиц использовался никель. Благодаря процессу электроосаждения 7% материала состояло из растворенных атомов фосфора и не содержало осаждает.[8]

Характеристики

Металлическая микрорешетка состоит из сети соединенных между собой полых распорок. В представленном образце с наименьшей плотностью микрорешетки каждая стойка составляет около 100 микрометры диаметром, со стенкой 100 нанометры толстый. Завершенная структура составляет около 99,99% воздуха по объему,[2] и по соглашению, масса воздуха исключается при расчете плотности микрочастицы.[8] С учетом массы промежуточного воздуха истинная плотность структуры составляет примерно 2,1 мг / см.3 (2,1 кг / м3), что всего в 1,76 раза больше плотности самого воздуха при 25 ° C. Материал описывается как в 100 раз легче, чем Пенополистирол.[9]

Металлические микрорешетки характеризуются очень низкой плотностью: рекорд 2011 г. составил 0,9 мг / см3.3 быть одним из самых низких значений любого известного твердого тела. Предыдущий рекорд 1,0 мг / см3 был проведен кремнезем аэрогели, и аэрографит утверждается, что имеет плотность 0,2 мг / см3.[10] Механически эти микрорешетки по поведению похожи на эластомеры и почти полностью восстанавливают свою форму после значительного сжатия.[11] Это дает им значительное преимущество перед более ранними аэрогелями, которые представляют собой хрупкие стеклообразные вещества. Это эластомерное свойство металлических микрорешеток, кроме того, приводит к эффективному поглощению ударов. Их Модуль для младших E имеет различный масштаб, с плотностью ρ, E ~ ρ2по сравнению с E ~ ρ3 в аэрогели и углеродная нанотрубка пены.[8]

Приложения

Металлическая микрорешетка может найти потенциальное применение в качестве тепло- и виброизоляторов, таких как амортизаторы, а также может оказаться полезным в качестве электродов батареи и носителей катализатора.[8] Кроме того, способность микрочастиц возвращаться в исходное состояние после сжатия может сделать их пригодными для использования в пружинных накопителях энергии.[2] Автопроизводители и производители авиационной техники[который? ] используют технологию микрорешеток для разработки чрезвычайно легких и эффективных структур, которые объединяют в себе несколько функций, таких как усиление конструкции и теплопередача, в отдельные компоненты для высокопроизводительных транспортных средств.[4]

Похожие материалы

Аналогичный, но более плотный материал, состоящий из электроосажденный нанокристаллический слой никеля поверх полимерного быстрый прототип фермы, была создана исследователями Университет Торонто в 2008.[12] В 2012 году немецкие исследователи создали углерод пена, известная как аэрографит, с даже меньшей плотностью, чем металлическая микрорешетка.[13] В 2013 году китайские ученые разработали углеродный аэрогель который, как утверждалось, был еще легче.[1]

Нанорешетки подобно наноструктуры на основе трубок похожи структуры в меньшем масштабе.

Рекомендации

  1. ^ а б «На фотографиях: Ультралегкий материал». BBC. 9 апреля 2013 г.. Получено 1 июля 2013.
  2. ^ а б c Самая легкая структура "металлической микрорешетки"'". Мир химии. 17 ноября 2011. Архивировано с оригинал 21 ноября 2011 г.. Получено 21 ноября 2011.
  3. ^ Стерлинг, Роберт (29 октября 2012 г.). «Самый легкий материал в мире». Боинг. В архиве из оригинала 2 ноября 2012 г.. Получено 2 ноября 2012.
  4. ^ а б «MICROLATTICE: НАСКОЛЬКО РЕВОЛЮЦИОННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИГОДНЫ ДЛЯ МИРОВЫХ ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ». Институт инженеров-механиков. 28 февраля 2013. Архивировано с оригинал 25 февраля 2015 г.. Получено 25 февраля 2015.
  5. ^ Rashed, M.G .; Ашраф, Махмуд; Mines, R.A.W ​​.; Хейзелл, Пол Дж. (2016). «Металлические материалы с микрорешетками: современное состояние производства, механических свойств и областей применения». Материалы и дизайн. 95: 518–533. Дои:10.1016 / j.matdes.2016.01.146.
  6. ^ Jacobsen, A.J .; Barvosa-Carter, W.B .; Натт, С. (2007). «Микромасштабные ферменные конструкции, сформированные из самораспространяющихся фотополимерных волноводов». Современные материалы. 19 (22): 3892–3896. Дои:10.1002 / adma.200700797.
  7. ^ Патент США 7382959, Алан Дж. Якобсен, «Оптически ориентированные трехмерные полимерные микроструктуры», принадлежащий HRL Laboratories, LLC. 
  8. ^ а б c d е Schaedler, T. A .; Якобсен, А. Дж .; Торренты, А .; Соренсен, А. Э .; Lian, J .; Greer, J. R .; Valdevit, L .; Картер, В. Б. (12 октября 2011 г.). «Сверхлегкие металлические микроперерешетки». Наука. 334 (6058): 962–5. Bibcode:2011Научный ... 334..962S. Дои:10.1126 / наука.1211649. PMID  22096194. S2CID  23893516.
  9. ^ «Самый легкий материал в мире, представленный инженерами США». Новости BBC. 18 ноября 2011 г.. Получено 25 ноября 2011.
  10. ^ «Аэрографит с новой структурой углеродных нанотрубок - чемпион среди самых легких материалов». Phys.org. 13 июля 2012 г. Дата обращения 14 июля 2012 г.
  11. ^ Стивен Шенкленд (18 ноября 2011 г.). «Прорывной материал - это не более чем воздух». CNET. Получено 26 апреля 2013.
  12. ^ Gordon, L.M .; Bouwhuis, B.A .; Суральво, М .; McCrea, J.L .; Palumbo, G .; Хиббард, Г.Д. (2009). «Микроферменные нанокристаллические гибриды Ni». Acta Materialia. 57 (3): 932–939. Дои:10.1016 / j.actamat.2008.10.038.
  13. ^ "Aerographit: Forscher entwickeln leichtestes Leichtgewicht". Der Spiegel (на немецком). 11 июля 2012 г.. Получено 1 июля 2013.

внешняя ссылка