Pyrkimys löytää mahdollisimman kevyt materiaali ei ole pelkkä tekninen kysymys, vaan rakenteellinen välttämättömyys nykyaikaiselle teollisuudelle. Tässä yhteydessä massan vähentäminen johtaa energiankulutuksen vähenemiseen, prosessien tehokkuuden parantumiseen ja uusien suunnittelumahdollisuuksien syntymiseen strategisilla aloilla.
Sisältö
Tässä yhteydessä yksi metallityyppi on alkanut nousta näkyvään asemaan kevyimpien materiaalien joukossa, jotka on tähän mennessä kehitetty ja joilla on mitattavissa olevia rakenteellisia ominaisuuksia. Sen tutkiminen yhdistää materiaalitieteen, sovelletun fysiikan ja edistyneen teollisen tuotannon rajoittumatta mihinkään yksittäiseen tuotantosektoriin.
Mikä on kevyin materiaali, joka on koskaan kehitetty laboratoriossa?
Metallinen mikroristikko pidetään kevyimpänä ihmisen tähän mennessä luomana materiaalina. Sen tiheys voi olla vain 0,9 milligrammaa kuutiosenttimetriä kohti, mikä tarkoittaa, että se koostuu noin 99,9 % ilmasta. Siitä huolimatta se ei käyttäydy kuten tavallinen hauras materiaali.
Kehitys perustuu jaksolliseen verkkoon onttoja mikroputkia, jotka on valmistettu nikkelifosforiseoksesta. Jokaisen putken halkaisija on noin 100 mikrometriä ja seinämän paksuus noin 100 nanometriä.
Keskeinen merkitys on geometrisella sijoittelulla: ei itse materiaali, vaan sen sisäinen rakenne mahdollistaa toiminnallisten mekaanisten ominaisuuksien säilyttämisen minimaalisella massalla.
Tuloksena on materiaali, joka on kevyempi jopa vaahtopolystyreenistä, mutta jolla on rakenteelliset ominaisuudet, jotka luokittelevat sen toiseen kategoriaan materiaalitieteen puitteissa.
Metallinen mikroristikko ja sen alkuperä, joka on saanut inspiraationsa luun rakenteesta.
Yksi tärkeimmistä näkökohdista ”mikroristikossa”, kuten sitä yleensä kutsutaan, on sen analogia ihmisen luiden rakenteeseen.
Luiden ulkokerros on kova, ja sisällä on onteloita, jotka vähentävät painoa heikentämättä yleistä lujuutta. Metallinen mikroristikko toistaa tämän periaatteen kolmiulotteisen avoimen solun verkon avulla.
Tämä mikroarkkitehtuuri varmistaa tehokkaan kuormituksen jakautumisen ja energian absorboinnin iskuissa. Laboratoriotestit ovat osoittaneet, että rakenne voi puristua huomattavasti ja palata alkuperäiseen muotoonsa , mikä on harvinaista perinteisille ultrakevyille materiaaleille, kuten aerogeeleille .
Valmistusprosessiin kuuluu polymeerimatriisin luominen edistyneitä fotopolymerointimenetelmiä käyttäen, joka sitten päällystetään kemiallisella elektrolyyttisellä pinnoituksella.
Matriisin poistamisen jälkeen jäljelle jää erittäin kevyt, mutta silti yhtenäinen ja vakaa metalliverkko.
Teollinen käyttö ihmisen luomalle kevyimmälle materiaalille.
Vaikka metallisen mikroverkon alkuperäinen kehitys liittyy ilmailu- ja avaruusteollisuuteen, sen potentiaaliset käyttömahdollisuudet ulottuvat myös muihin teollisuudenaloihin. Ilmailualalla tämän kevyemmän materiaalin käyttö mahdollistaisi komponenttien, kuten lattiapaneelien, sisäseinien ja tukirakenteiden, kokonaispainon vähentämisen.
On tärkeää muistaa, että painon vähentäminen vaikuttaa suoraan polttoaineenkulutukseen ja liikennejärjestelmien energiatehokkuuteen. Autoteollisuudessa tällaisia materiaaleja voidaan käyttää iskuja vaimentavissa sovelluksissa, joissa vaaditaan sekä keveyttä että hallittua muodonmuutoskykyä.
Tutkitaan myös mahdollisuuksia käyttää niitä lämmöneristyksessä , teollisten katalyyttien kantajina ja nykyaikaisten rakennusrakenteiden komponenteina, joissa ratkaiseva tekijä on painon ja mekaanisten ominaisuuksien suhde.
Metallinen mikroristikko ei korvaa perinteisiä materiaaleja, mutta laajentaa saatavilla olevien teknisten ratkaisujen valikoimaa.
Tieteellinen tutkimus aiheesta ja mikroristikkojen näkymät.
Ensimmäiset tutkimukset metallisesta mikroristikosta julkaistiin tiedelehdissä, kuten Science, joissa kuvataan yksityiskohtaisesti sekä sen valmistusmenetelmä että mekaaniset ominaisuudet.
Seuraavat tutkimukset laajensivat tätä konseptia sisällyttämällä siihen niin sanotut mekaaniset metamateriaalit – rakenteet, jotka on suunniteltu säilyttämään jäykkyys jopa erittäin alhaisella tiheydellä.
Nämä tutkimukset vahvistavat ajatuksen, että mikroristikko riippuu paitsi kemiallisesta koostumuksesta, myös sisäisestä geometriasta ja tuotannon laajuudesta . Mikroarkkitehtuuria kontrolloimalla voidaan minimoida tiheyden laskuun liittyvä kimmomoduulin menetys.
Keskipitkällä aikavälillä metallisten mikrorakenteiden teollinen kehitys riippuu kustannusten optimoinnista ja tuotantoprosessien skaalautuvuudesta.
