Araştırmacılar 3-D'ye yeni bir süreç geliştirdiler ve dünyadaki en güçlü materyallerden birini yazdırdılar.

Anonim

Virginia Tech ve Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı'ndan araştırmacılar, batarya ve havacılık endüstrilerinde kullanılan en yüksek performanslı materyallerden birinin 3 boyutlu baskı kompleksi nesnelerine yeni bir yol geliştirdi.

Önceden araştırmacılar, grafen olarak bilinen bu materyali, 2 boyutlu sayfalarda veya temel yapılarda basabiliyorlardı. Ancak, Virginia Tech mühendisleri, bir çözünürlükte 3 boyutlu baskı grafen nesnelerine, yazdırılmadan önce her zamankinden daha büyük bir büyüklük sırasına izin veren bir proje üzerinde işbirliği yaptılar. Bu, herhangi bir boyut veya grafen şekli oluşturma yeteneğini açığa çıkarır.

Gücünden dolayı, grafen, Dünya üzerinde test edilen en güçlü malzemelerden biridir ve yüksek termal ve elektrik iletkenliği, 3 boyutlu baskı grafen objeleri, piller, havacılık, ayırma, ısı yönetimi, sensörler dahil olmak üzere bazı sektörlerde büyük ilgi görecektir. ve kataliz.

Grafen, altıgen bir kafes içinde düzenlenmiş tek bir karbon atomu tabakasıdır. Grafen tabakaları birbirinin üzerine düzgün bir şekilde istiflendiğinde ve üç boyutlu bir şekle dönüştürüldüğünde, yaygın olarak kurşun kalemlerinde "kurşun" olarak bilinen grafit haline gelir.

Grafit sadece birlikte grafen olduğundan, oldukça zayıf mekanik özelliklere sahiptir. Ancak, grafen tabakaları hava ile dolu gözeneklerle ayrılırsa, üç boyutlu yapı özelliklerini koruyabilir. Bu gözenekli grafen yapısına grafen aerojel denir.

"Artık bir tasarımcı, birbirine bağlı grafen tabakalarından oluşan üç boyutlu bir topoloji tasarlayabilir, " diyor Xiaoyu "Rayne" Zheng, Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümünde yardımcı profesör ve İleri İmalat ve Meta Malzeme Laboratuvarı direktörü. "Bu yeni tasarım ve üretim özgürlüğü, grafen aerojellerinde elde edilemeyen mukavemet, iletkenlik, toplu taşıma, güç ve ağırlık yoğunluğunun optimizasyonuna yol açacaktır."

Aynı zamanda, Macromolecules Innovation Institute'un bağlı bir öğretim üyesi olan Zheng, nano ölçekli materyalleri incelemek ve onları havacılık, otomobil ve bataryalardaki uygulamalar için hafif ve fonksiyonel materyallere kadar ölçeklendirmek için hibeler aldı.

Daha önce, araştırmacılar bir ekstrüzyon işlemi, sıkıcı diş macunu gibi bir grafi kullanarak grafen basabilirdi, ancak bu teknik sadece kendi başına yığılmış basit nesneler oluşturabilirdi.

Zheng, "Bu teknikle, oluşturabileceğiniz çok sınırlı yapılar var çünkü destek yok ve çözünürlük oldukça sınırlı, bu yüzden serbest form faktörlerini alamıyorsunuz, " dedi. "Yaptığımız şey, grafen katmanlarını yüksek çözünürlükle istediğiniz şekle dönüştürmek."

Bu proje üç yıl önce Ryan Hensleigh, makalenin baş yazarı ve şimdi üçüncü yıl Makromoleküler Bilim ve Mühendislik Doktora'sı ile başladı. öğrenci, Livermore, California'daki Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı'nda stajyerlik yaptı. Hensleigh, daha sonra Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı'nda teknik personelin üyesi olan Zheng ile çalışmaya başladı. Zheng, 2016 yılında Virginia Tech'deki fakülteye katıldığında, Hensleigh öğrenci olarak devam etti ve bu proje üzerinde çalışmaya devam etti.

Bu karmaşık yapıları oluşturmak için, Hensleigh grafen okside, grafene bir öncü, bir gözenekli hidrojel oluşturmak için tabakaların çapraz bağlanması ile başladı. Grafen oksit hidrojelinin ultrasonla kırılması ve ışığa duyarlı akrilat polimerlerin eklenmesiyle, Hensleigh, akrilat polimerin uzun, sert zincirlerinde tutulan grafen oksit ile istenen katı 3-D yapısını oluşturmak için projeksiyon mikro-stereolitografiyi kullanabilir. Son olarak, Hensleigh polimerleri yakmak ve nesneyi birbirine kaynaştırarak saf ve hafif grafen aerojelini geride bırakmak için 3-D yapısını bir fırına koyacaktır.

Hensleigh, “Yapılanlara kıyasla önemli bir atılım” dedi. "İstediğiniz istediğiniz yapıya hemen hemen erişebiliriz." Son zamanlarda Research Horizons dergisinde Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı'nda işbirlikçilerle birlikte yayınlanan bu çalışmanın temel bulgusu, araştırmacıların, her zamankinden daha büyük bir boyutta bir çözünürlükle grafen yapıları yaratmalarıdır. Hensleigh, diğer süreçlerin 100 mikrona kadar baskı yapabileceğini, ancak yeni teknik, gerçek grafen tabakalarının boyutuna yaklaşan çözünürlükte 10 mikrona kadar baskı yapmasına izin verdiğini söyledi.

Zheng, "İçsel özelliklerinin bir kısmını korurken üç boyutlu bir grafen mimarisi yapabildiğinizi gösterebildik." Dedi. "Genellikle 3 boyutlu baskı grafiğinde veya ölçek büyütmeye çalıştığınızda, tek sac formunda bulunan kazançlı mekanik özelliklerinin çoğunu kaybedersiniz."

menu
menu