石墨烯用于開發(fā)比鋼材強(qiáng)10倍的輕質(zhì)材料

麻省理工學(xué)院的研究人員使用2D形式的石墨烯開發(fā)出一種比鋼強(qiáng)10倍的輕質(zhì)3D材料。麻省理工學(xué)院的研究人員使用石墨烯開發(fā)了一種輕質(zhì)材料，其強(qiáng)度比鋼材強(qiáng)10倍，可用于制造車輛和設(shè)備，以及建筑施工。麻省理工學(xué)院土木與環(huán)境工程系(CEE)的一組研究人員設(shè)計(jì)了3D材料 - 通過壓縮和融合石墨烯(一種二維形式的碳)來制造最輕，最強(qiáng)的3D材料。他們說，結(jié)果是海綿狀配置，密度僅為5%，非常強(qiáng)勁。二維形式的石墨烯被認(rèn)為是已知材料中最強(qiáng)的材料之一，但直到現(xiàn)在，它在二維世界中的強(qiáng)度難以用3D材料轉(zhuǎn)化，麻省理工學(xué)院民用系研究生Gang Seob Jung說。和環(huán)境工程。

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麻省理工學(xué)院的研究人員使用2D形式的石墨烯開發(fā)出一種比鋼強(qiáng)10倍的輕質(zhì)3D材料。

“石墨烯具有非凡的強(qiáng)度，但由于其非凡的薄度，它對于制造可用于車輛，建筑物或設(shè)備的3D散裝材料并不十分有用，”Jung告訴Design News。“我們所做的就是實(shí)現(xiàn)將石墨烯轉(zhuǎn)化為三維結(jié)構(gòu)的愿望。”

他說，該團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)表明，新3D形狀的幾何配置是其特性的主導(dǎo)因素以及使用石墨烯設(shè)計(jì)它們的成功。Jung說，這意味著幾何設(shè)計(jì)也有可能轉(zhuǎn)移到其他材料，這是工作的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢。

該團(tuán)隊(duì)在“科學(xué)進(jìn)展”雜志上發(fā)表了一份關(guān)于其研究的報(bào)告。

研究人員通過結(jié)合熱和壓力壓縮石墨烯的小片來開發(fā)這種材料。他們說，這個(gè)過程產(chǎn)生了一個(gè)強(qiáng)大，穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，其形狀類似于一些叫做硅藻的珊瑚和微觀生物。

“一旦我們創(chuàng)建了這些3D結(jié)構(gòu)，我們就想看看有什么限制 - 我們可以生產(chǎn)的最強(qiáng)材料是什么，”中東歐地區(qū)麻省理工學(xué)院研究科學(xué)家趙勤說。為此，他們創(chuàng)建了各種3D模型，并在計(jì)算模擬中進(jìn)行了測試。他們在拉伸加載機(jī)中進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)樣品的鋼密度為5%，但強(qiáng)度是其10倍，他說。

“我們在研究中引入的結(jié)構(gòu)可以降低典型材料的密度而不會(huì)顯著降低其機(jī)械性能，”Jin說。“大多數(shù)材料都采用這種結(jié)構(gòu)以獲得更好的性能。然而，由于傳統(tǒng)制造方法可能過于復(fù)雜，因此可以與3D打印機(jī)一起使用的材料都是應(yīng)用的候選材料。“

該團(tuán)隊(duì)開發(fā)的材料在建筑，基礎(chǔ)設(shè)施和建筑方面具有應(yīng)用，“通常最終可能有助于減少傳統(tǒng)材料(如鋼材)的使用，從而有效降低建筑重量和人工成本，”秦說。 。“這種碳材料的高強(qiáng)度和高耐化學(xué)性也有助于使建筑和基礎(chǔ)設(shè)施更具彈性，”他補(bǔ)充說。

Jung說，研究人員計(jì)劃通過應(yīng)用他們的方法開發(fā)其他材料繼續(xù)他們的工作，并進(jìn)行其他實(shí)驗(yàn)和研究以改善材料的特性和性能。

“由于我們的發(fā)現(xiàn)表明幾何效應(yīng)很重要，我們可以通過3D打印解決聚合物或其他材料設(shè)計(jì)的更多細(xì)節(jié)，”他說。“我們可能會(huì)引入由生物材料激發(fā)的異質(zhì)性或?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)來精細(xì)調(diào)整以獲得更好的機(jī)械性能。”