Raziskovalci razvijajo nov postopek za tridimenzionalno tiskanje enega najmočnejših materialov na svetu

How to Build Innovative Technologies by Abby Fichtner (Junij 2019).

Anonim

Raziskovalci iz Virginia Tech in Lawrence Livermore National Laboratory razvili nov način za 3-D tiskanje kompleksnih predmetov enega od najbolj učinkovitih materialov, ki se uporabljajo v industriji baterij in vesoljske industrije.

Prej so raziskovalci lahko natisnili le ta material, znan kot grafen, v 2-D listih ali osnovnih strukturah. Toda inženirji Virginia Tech so zdaj sodelovali pri projektu, ki jim omogoča tridimenzionalne grafinske predmete z ločljivostjo, ki je večja kot kdajkoli prej, natisnjene, kar odklanja sposobnost teoretičnega ustvarjanja poljubne velikosti ali oblike grafena.

Zaradi svoje moči-grafena je eden od najmočnejših materialov, ki so jih kdaj testirali na Zemlji in s svojo visoko toplotno in električno prevodnostjo, bi bili 3-D natisnjeni grafenski predmeti v nekaterih industrijah zelo cenjeni, vključno z baterijami, vesoljsko opremo, ločevanjem, upravljanjem s toploto, senzorji, in kataliza.

Grafen je en sloj atomov ogljika, organiziran v heksagonalni rešetki. Ko so grafitne plošče lepo zložene drug na drugega in oblikovane v tridimenzionalni obliki, postane grafit, splošno znan kot "svinec" s svinčniki.

Ker grafit enostavno zapakira grafena, ima precej slabe mehanske lastnosti. Toda, če so listi grafena ločeni z zrakom napolnjene pore, lahko tridimenzionalna struktura ohranja svoje lastnosti. Ta porozna grafena struktura se imenuje grafenski aerogel.

"Zdaj oblikovalec lahko oblikuje tridimenzionalno topologijo, sestavljeno iz medsebojno povezanih grafenskih plošč", pravi Xiaoyu "Rayne" Zheng, docent na oddelku za strojništvo na Inženirski šoli in direktor laboratorija Advanced Manufacturing and Metamaterials. "Ta nova zasnova in svoboda proizvodnje bodo privedli do optimizacije moči, prevodnosti, masnega pretoka, moči in gostote teže, ki jih grafelni aerogeli ne morejo doseči".

Zheng, tudi pridruženi član fakultete Innovation Institute Macromolecules, je prejel nepovratna sredstva za študij nanosnih materialov in jih razširi do lahkih in funkcionalnih materialov za aplikacije v vesoljski industriji, avtomobilih in baterijah.

Prej so raziskovalci lahko natisnili grafen z ekstruzijskim postopkom, nekako podobno zobno pasto, vendar je ta tehnika lahko ustvarila le preproste predmete, ki so zloženi na sam vrh.

"S to tehniko lahko ustvarite zelo omejene strukture, ker ni podpore in resolucija je precej omejena, zato ne morete dobiti prostovoljnih dejavnikov, " je dejal Zheng. "To, kar smo naredili, je, da se ti grafični sloji arhitektirajo v katerokoli obliko, ki jo želite z visoko ločljivostjo."

Ta projekt se je začel pred tremi leti, ko je Ryan Hensleigh, vodilni avtor članka in zdaj tretji letnik makromolekularnih znanosti in inženiringa Ph.D. študent, je začel pripravništvo v Nacionalnem laboratoriju Lawrence Livermore v Livermoreju v Kaliforniji. Hensleigh je začel delati z Zhengom, ki je bil takrat član tehničnega osebja v Nacionalnem laboratoriju Lawrence Livermore. Ko se je Zheng pridružil fakulteti Virginia Tech leta 2016, je Hensleigh sledil kot študent in nadaljeval z delom na tem projektu.

Za oblikovanje teh zapletenih struktur je Hensleigh začel z grafenovim oksidom, predhodnikom grafena, ki je zamrežil pločevino, da je nastal porozni hidrogel. Razbijanje grafena oksidnega hidrogela z ultrazvokom in dodajanje svetlobno občutljivih akrilatnih polimerov je Hensleigh lahko uporabil projekcijsko mikro stereolitografijo, da bi ustvaril želeno trdno 3-D strukturo z grafenskim oksidom, ujetim v dolge, toge verige akrilatnega polimera. Končno bi Hensleigh postavil tridimenzionalno strukturo v peč, s katero bi spali polimere in združili predmet skupaj in pustili za sabo čisti in lahki grafenski aerogel.

"To je pomemben preboj v primerjavi s tem, kar je bilo storjeno, " je dejal Hensleigh. "Dostopamo lahko do poljubne želene strukture, ki jo želite." Ključna ugotovitev tega dela, ki je bila nedavno objavljena s sodelavci v Nacionalnem laboratoriju Lawrence Livermore v časopisu Materials Horizons, je, da so raziskovalci ustvarili grafenske strukture z ločljivostjo, ki je bila boljša kot doslej. Hensleigh je dejal, da se lahko drugi procesi tiskajo do 100 mikronov, vendar nova tehnika mu omogoča, da natisne 10 mikronov v ločljivost, kar se približuje velikosti dejanskih listov grafena.

"Pokazali smo, da lahko naredite zapleteno, tridimenzionalno arhitekturo grafena, medtem ko še vedno ohranjajo nekatere svoje notranje lastnosti, " je dejal Zheng. "Običajno, ko poskusite 3-D tiskati grafena ali povečati obseg, izgubite večino svojih donosnih mehanskih lastnosti, ki jih najdemo v enojni obliki listov."

menu
menu