比鑽石更為堅固的奈米晶格結構,將有助提升未來飛行器性能

作者 | 發布日期 2020 年 04 月 14 日 14:29 | 分類 奈米 , 尖端科技 , 材料 Telegram share ! follow us in feedly


美國加州大學爾灣分校(UC Irvine,UCI)和其他機構的研究人員設計開發出比強度係數(Specific strength;強度 / 密度比強度)大於鑽石的薄片式奈米晶格結構( Plate-Nanolattices,亦即奈米尺度碳結構)。在《自然通訊》期刊的一項最新研究中,科學家們闡述了在概念化和製造這種材料上的成功,該材料由緊密連接的蜂巢狀薄片組成,而不是採用過去幾十年在這種結構中常見的圓柱形桁架。 

「以前橫梁式設計雖然引起人們的極大興趣,但在機械性能方面並沒有那麼有效,」UCI 機械與航空太空工程研究人員 Jens Bauer 表示:「我們創造的這種新型薄片式奈米晶格結構比最好的橫梁式奈米晶格結構的強度及硬度更高。」根據該論文指出,該團隊的設計已被證明可以提高柱形梁結構的平均性能表現,其在強度上提高 639%,在剛性上提高 522%。

UCI 材料科學與工程暨機械與航空太空工程教授 Lorenzo Valdevit 所主持之可建構材料實驗室(Aarchitected Materials Laboratory)的成員使用加大爾灣材料研究所(Irvine Materials Research Institute,IMRI)提供的掃描電子顯微鏡和其他技術驗證了他們的發現。

「科學家們預測,以薄片式設計排列的奈米晶格會非常堅固,」UCI 材料科學與工程研究生,同時也是本篇論文第一作者的 Cameron Crook 表示:「但是這種製造結構的困難度意味著,直到我們成功做到這點,這個理論才被證明可行。」

3D 列印固態聚合物,經高溫分解形成玻璃碳晶格

Bauer 表示,該研究團隊的成果取決於一種稱為雙光子微影雷射直寫技術(Two-Photon Lithography Direct Laser Writing)的複合式 3D 雷射列印程序。隨著紫外線光敏樹脂的逐層添加,該材料會在兩個光子會合處變成固態聚合物。該技術能夠使重複的蜂巢狀晶格體變成僅 160 奈米厚的薄片。

該研究團隊的一項創新之舉就是在薄片上開了一些小孔,這些小孔可用來去除成品材料中多餘的樹脂。最後一道程序會讓晶格進行高溫分解,其會在真空中加熱到攝氏 900 度,並持續一小時之久。根據 Bauer 的說法,最終會形成一種由玻璃碳構成的立方體晶格,這樣結構的強度是科學家們所能想到之多孔材料中最高的。

Bauer 表示,這項研究的另一個目標和成就是探索基礎物質在其固有機械效應上的可行應用。「當你將任何一種材料的尺寸急劇地縮小到 100 奈米時,它就會成為理論上幾乎沒有任何孔或裂紋的晶體。減少這些裂紋會增加系統的整體強度,」他表示。

「以前沒有人將這些結構從尺度中獨立出來,」UCI 設計與製造創新研究所(Institute for Design and Manufacturing Innovation,IDMI)所長 Valdevit 補充指出: 「我們是第一個透過實驗驗證其性能表現與預期相符的研究小組,同時還展示了具有前所未有機械強度的可建構材料。」 對結構工程師,尤其是航空太空領域的工程師來說,奈米晶格具備無限的前景與巨大的潛力,因為人們希望它們兼具高強度與低質量密度的特性將大大提升飛機和飛行器的性能表現。

這項研究的其他共同作者尚包括 UCI 機械與航空太空工程研究生 Anna Guell Izard,以及加州大學聖塔芭芭拉分校(UC Santa Barbara)和德國哈雷維滕貝格大學(Martin Luther University of Halle-Wittenberg)的研究人員。這個專案是由美國海軍研究辦公室(Office of Naval Research)和德國研究基金會(German Research Foundation, DFG)資助。

(首圖來源:UCI