Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Блок металлической микрорешетки, поддерживаемый головкой семени одуванчика .

Металлическая микрорешётка представляет собой синтетический пористый металлический материал , состоящий из сверхлегкого металла пены . При плотности всего 0,99 мг / см 3 (0,00561 фунт / фут 3 ) это один из самых легких конструкционных материалов, известных науке. [1] Он был разработан группой ученых из Калифорнии -На HRL Laboratories в сотрудничестве с исследователями из Калифорнийского университета в Ирвине и Калифорнийского технологического института , и впервые было объявлено в ноябре 2011 года образцы прототипа были сделаны из никеля - фосфора сплава . [2]В 2012 году журнал Popular Mechanics объявил прототип микрорешетки одним из 10 инноваций, изменяющих мир . [3] Металлическая микросхема имеет множество потенциальных применений в автомобильной и авиационной технике . [4] Подробное сравнительное исследование других типов металлических решетчатых структур показало, что они полезны для легких целей, но дороги в производстве. [5]

Синтез [ править ]

Чтобы создать свою металлическую микросрешетку, команда HRL / UCI / Caltech сначала подготовила полимерный шаблон, используя метод, основанный на формировании самораспространяющегося волновода , [6] [7], хотя было отмечено, что для изготовления шаблона можно использовать и другие методы. [8] В процессе УФ-свет пропускался через перфорированную маску в резервуар с УФ-отверждаемой смолой . Волоконно-оптический -подобных «автолокализация» из света происходил в качестве смолы отвержденной под каждое отверстие в маске, образуя тонкую полимерную фибру вдоль пути света. Используя несколько световых лучей, несколько волокон могут затем соединяться между собой, образуя решетку.

Этот процесс был похож на фотолитографию в том, что он использовал двумерную маску для определения начальной структуры шаблона, но отличался скоростью формирования: там, где стереолитография могла занять часы, чтобы создать полную структуру, процесс самоформирующегося волновода позволял шаблонам сформироваться 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 методом химического никелирования , и шаблон вытравлен, оставив отдельно стоящий периодический слой.пористая металлическая структура. В исходном отчете в качестве металла микрочастицы использовался никель. Благодаря электроосаждению 7% материала состояло из растворенных атомов фосфора и не содержало осадков . [8]

Свойства [ править ]

Металлическая микрорешетка состоит из сети соединенных между собой полых распорок. В описанном образце с наименьшей плотностью микрорешетки каждая стойка имеет диаметр около 100 микрометров и толщину стенки 100 нанометров . Завершенная структура на 99,99% состоит из воздуха по объему [2], и по соглашению масса воздуха исключается при расчете плотности микрочетки. [8] С учетом массы промежуточного воздуха истинная плотность конструкции составляет примерно 2,1 мг / см 3 (2,1 кг / м 3 ), что всего в 1,76 раза больше плотности самого воздуха при 25 ° C. Этот материал описывается как в 100 раз легче пенополистирола . [9]

Металлические микрорешетки характеризуются очень низкой плотностью: рекорд 2011 года, равный 0,9 мг / см 3, является одним из самых низких значений среди всех известных твердых тел. Предыдущий рекорд в 1,0 мг / см 3 был установлен для аэрогелей кремнезема , а плотность аэрографита, как утверждается, составляет 0,2 мг / см 3 . [10] С механической точки зрения эти микрорешетки 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 Юнга E имеет другой масштаб с плотностью ρ, E ~ ρ 2 , по сравнению с E ~ ρ 3 в аэрогелях и пенах из углеродных нанотрубок . [8]

Приложения [ править ]

Металлическая микрорешетка может найти потенциальное применение в качестве теплоизоляторов и виброизоляторов, таких как амортизаторы , а также может оказаться полезной в качестве электродов аккумуляторных батарей и опор для катализаторов. [8] Кроме того, способность микрорешеток возвращаться в исходное состояние после сжатия может сделать их пригодными для использования в пружинных накопителях энергии. [2] Автодвигатели и производители авиационной техники [ какие? ] 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 [ править ]

Аналогичный, но более плотный материал, состоящий из электроосажденного слоя нанокристаллического никеля поверх полимерной фермы, созданной на быстродействующем прототипе , был создан исследователями из Университета Торонто в 2008 году. [12] В 2012 году немецкие исследователи создали углеродную пену, известную как аэрографит , с даже меньшая плотность, чем у металлической микрорешетки. [13] В 2013 году китайские ученые разработали аэрогель на основе углерода, который, как утверждается, еще легче. [1]

Нанорешетки, подобные наноструктурам на основе трубок, представляют собой аналогичные структуры в меньшем масштабе.

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b «На фотографиях: Ультралегкий материал» . BBC. 9 апреля 2013 . Проверено 1 июля 2013 года .
  2. ^ Б с «металлическая микрорешётка„легкая структура когда - либо “ » . Мир химии. 17 ноября 2011 года Архивировано из оригинала 21 ноября 2011 года . Проверено 21 ноября 2011 года .
  3. ↑ Стерлинг, Роберт (29 октября 2012 г.). «Самый легкий материал в мире» . Боинг. Архивировано 2 ноября 2012 года . Проверено 2 ноября 2012 года .
  4. ^ a b «MICROLATTICE: КАК РЕВОЛЮЦИОННЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ ПРИГОДНЫ ДЛЯ МИРОВЫХ ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ» . Институт инженеров-механиков . 28 февраля 2013 г. Архивировано из оригинала 25 февраля 2015 года . Проверено 25 февраля 2015 года .
  5. ^ Рашед, MG; Ашраф, Махмуд; Мины RAW; Хейзелл, Пол Дж. (2016). «Металлические материалы с микрорешетками: современное состояние производства, механические свойства и области применения». Материалы и дизайн . 95 : 518–533. DOI : 10.1016 / j.matdes.2016.01.146 .
  6. ^ Якобсен, AJ; Барвоса-Картер, ВБ; Натт, С. (2007). «Микромасштабные ферменные конструкции, сформированные из самораспространяющихся фотополимерных волноводов». Современные материалы . 19 (22): 3892–3896. DOI : 10.1002 / adma.200700797 .
  7. ^ Патент США 7382959 , Алан Дж Jacobsen, «Оптический ориентированный трехмерный полимерные микроструктур», присвоенных HRL Laboratories, LLC. 
  8. ^ a b c d e Schaedler, TA; Якобсен, AJ; Торренты, А .; Соренсен, AE; Lian, J .; Грир, младший; Valdevit, L .; Картер, ВБ (12 октября 2011 г.). «Сверхлегкие металлические микроперерешетки». Наука . 334 (6058): 962–5. Bibcode : 2011Sci ... 334..962S . DOI : 10.1126 / science.1211649 . PMID 22096194 . S2CID 23893516 .  
  9. ^ «Самый легкий материал в мире, представленный инженерами США» . Новости BBC. 18 ноября 2011 . Проверено 25 ноября 2011 года .
  10. ^ «Новый аэрографит структуры углеродных нанотрубок - чемпион из самых легких материалов» . Phys.org. 13 июля 2012 г. Дата обращения 14 июля 2012 г.
  11. ^ Стивен Шенкленд (18 ноября 2011). «Прорывной материал - это не больше, чем воздух» . CNET . Проверено 26 апреля 2013 года .
  12. ^ Гордон, LM; Bouwhuis, BA; Суралво, М .; McCrea, JL; Palumbo, G .; Хиббард, GD (2009). «Микроферменные нанокристаллические гибриды Ni». Acta Materialia . 57 (3): 932–939. DOI : 10.1016 / j.actamat.2008.10.038 .
  13. ^ "Aerographit: Forscher entwickeln leichtestes Leichtgewicht" . Der Spiegel (на немецком языке). 11 июля 2012 . Проверено 1 июля 2013 года .

Внешние ссылки [ править ]

  • Видео сжатия металлической микрорешетки на YouTube.