《自然材料》杂志封面文章：管中管结构促进多孔超低密度材料走向新兴应用

类似于草茎，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL：Lawrence Livermore National Laboratory）的科学家们已经创造了纳米管连接的管中管，以实现更强的低密度结构材料。具有工程拉伸主导晶格设计的多孔材料具有超轻重量和大表面积的诱人机械性能，可广泛应用，最近在刚度和密度之间实现了接近理想的线性缩放。具有支撑管中管梁形态的3D打印碳原木堆的光学显微图像@劳伦斯利弗莫尔国家实验室在这项新的研究中，该团队开发了一种将全密度3D打印聚合物梁转化为石墨碳中空管中管夹层结构的工艺，在这种结构中，与草茎类似，内外管通过支柱网络连接。这项研究刊登在10月25日出版的《自然材料》杂志的封面上。压缩试验和计算建模表明，随着密度的降低，梁形态的这种变化显著减缓了刚度的降低。压缩实验进一步证明，压缩30%至50%后的大变形恢复率，导致高重量能量耗散特性。多孔超低密度材料有许多新兴应用，如机械减震器、隔热和隔音、柔性电池和催化剂支架、MEMS器件以及作为高能密度物理实验的目标材料。“其中一些应用将受益于降低非活性碳材料密度，同时仍提供高比表面积以及高刚度和形状恢复性能，”LLNL材料科学家叶建超（音译）说，他是该论文的联合首席作者。“想想电池或催化剂：独特的管中管结构将优异的机械性能与低密度结合在一起，为储能或催化剂提供了大的表面积，并提供了便利的质量传输途径。”类似的夹层板设计与综合承重支柱也在自然界中发现，其中重量轻和良好的机械性能是重要的。例子包括各种物种的头骨、植物的茎和鸟骨。虽然新的原型管中管（STinT）碳结构类似于动物头骨和植物茎的结构，但其特征长度尺度要小几个数量级。为了克服随着密度降低而迅速降低机械性能的挑战，该团队开发了stiff STinT设计。具体地说，他们通过两步镍催化模板热解工艺制备了具有集成小梁形态的碳基微晶格。该制造工艺保持了印刷态牺牲聚合物模板的结构和尺寸，以提供密度低至6.4 mg/cm³的非常坚硬的碳晶格。这篇论文的合著者，LLNL材料科学家Juergen Biener说：“我们将低密度碳晶格的刚度归因于集成的纳米级支撑管中管梁设计，该设计实现了轻质但坚硬的晶格积木，这一设计概念可正交应用于当前的晶格拓扑优化工作。”。参考文献Ultra-low-density digitally architected carbon with a strutted tube-in-tube structureJianchao Ye, Ling Liu, James Oakdale,Joseph Lefebvre, Sanjit Bhowmick, Thomas Voisin, John D. Roehling, William L.Smith, Maira R. Cerón, Jip van Ham,Leonardus Bimo Bayu Aji, Monika M. Biener,Y. Morris Wang, Patrick R. Onck & Juergen Biener 通过阅读原文查看此项研究成果。


多孔材料与人工结构物理特性表征技术领先者

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