《Nature》大子刊：華人科學家再獲突破！開發(fā)3D打印超低密度超高模量多孔結構材料

來源：材料學網

導讀：本文通過設計管中管梁結構來探索一種不同的方法來增強低密度結構材料。開發(fā)了一種將完全致密的 3D 打印聚合物梁轉換為石墨碳中空管中管夾層形態(tài)的過程，其中，類似于草莖，內管和外管通過支柱網絡連接。壓縮測試和計算模型表明，梁形態(tài)的這種變化顯著減緩了剛度隨著密度降低而降低的速度。原位柱壓縮實驗進一步證明了壓縮 30-50% 后的大變形恢復和高比阻尼性能指數。我們的支撐管中管設計開辟了空間，實現(xiàn)了非常理想的高模量-低密度和高模量-高阻尼材料結構。

單片多孔超低密度材料有許多新興應用，如機械減震器、隔熱和隔音、柔性電池和催化劑支架、微機電設備。其中一些應用，例如用于電池電極的碳支架，將受益于降低非活性碳材料密度，同時仍然提供高比表面積以及高剛度和形狀恢復特性。然而，進一步開發(fā)超低密度結構材料的主要挑戰(zhàn)是克服隨著密度降低而機械性能迅速惡化的問題。在第一代的低密度碳材料的（即，碳氣凝膠），剛度與密度降低，由于其隨機或連接不良的結構非常迅速下降。

通過改善網絡連通性，碳納米管網絡和石墨烯泡沫剛度的下降顯著減少. 然而，盡管單個結構單元的固有剛度非常高（即，碳納米管或單層石墨烯的楊氏模量 ( E ) 為~1 TPa），但三維 (3D) 組件仍然表現(xiàn)出低得多的模量密度低于理論預測。最近，增材制造技術已啟用與精確限定的幾何形狀和變形模式相當多的復雜的結構。直接激光寫入-雙光子聚合 (DLW-TPP) 的進步現(xiàn)在可以探索計算機設計的架構，以及納米級尺寸對材料特性的影響，例如，允許實現(xiàn)DLW-TPP 衍生的碳納米晶格的強度提高了六倍，其光束比玻璃碳微晶格小三個數量級。

在大多數關于結構化熱解碳的研究中，是由打印結構的直接裂解制備的樣品，從而導致大的線性收縮率（高達80％）和相對高的密度（> 100毫克厘米-3）。雖然這些碳材料的模量和強度在高密度下接近理論極限，但當降低密度時，這些晶格設計的縮放指數仍然可以高于 1。這歸因于存在制造缺陷、凍結接頭和結構的有限尺寸. 因此認為，除了使用以拉伸為主的晶格設計（例如八位組桁架）之外，仔細設計梁本身對于在低密度下保持高剛度可能至關重要。

在這項工作中，美國科學斯利弗莫爾勞利莫爾國家實驗室華人科學家葉建超等人通過開發(fā)一種基于支撐管中管 (STinT) 夾層形態(tài)的更硬的中空管設計來解決這個問題。具體來說，我們通過兩步鎳催化模板熱解過程制造具有集成 STinT 束形態(tài)的碳基微晶格來證明這一概念（圖1a）。這種制造過程保持了打印的犧牲聚合物模板的結構和尺寸，以提供密度低至 6.4 mg cm^-3 的非常堅硬的碳晶格. 研究成果以題“Ultra-low-density digitally architected carbon with a strutted tube-in-tube structure”發(fā)表在nature materials

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-021-01125-w#Sec9

我們將我們的低密度碳晶格的剛度歸功于集成的納米級支撐管中管梁設計，該設計能夠實現(xiàn)輕質但堅固的晶格構建塊。我們的設計概念可以與當前的晶格拓撲優(yōu)化發(fā)展正交應用，為低密度高剛度碳基晶格材料開辟了一條協(xié)同的、尚未探索的道路。使用我們的 STinT 技術，我們展示了在剛度 - 密度特性圖的高剛度 - 超低密度區(qū)域中制造熱解碳結構。有限元分析表明，密度降低時始終保持高剛度是 STinT 管間距與晶格結構密度耦合的結果，這導致管接頭的加強和管的彎曲模量的增加，通過擴大管外徑和較低密度下的優(yōu)選質量分布。雖然這種內在耦合阻止了自相似縮放關系的推導，但很少報道這種高效的機械行為。

圖 1：將固體聚合物梁轉化為 STinT 碳結構的 3D 打印和后處理。

圖 2：STinT 碳結構的楊氏模量以及與其他材料的比較。

圖 3：有限元建模。

圖 4：具有不同樣品縱橫比和結構的原位 SEM 壓縮測試。

圖 5：比阻尼性能指數 ( E 0.5 η / ρ ) 與比模量 ( E / ρ )。

總而言之，通過開發(fā)一種兩步模板方法，我們能夠將 3D 打印聚合物微晶格的實心梁轉換成類似于動物頭骨和草莖形態(tài)的中空管中管夾層碳結構。由于觀察到聚合物原木樁模板的密度（由間距控制）與 STinT 碳結構的內管和外管之間的間距（由 Ni 涂層厚度控制）之間的耦合，隨著密度的降低，楊氏模量顯著減慢。STinT 碳結構還在大應變下提供出色的變形恢復能力和卓越的特定阻尼性能。雖然為機械表征準備的樣品在微米到毫米范圍內，48 . 更普遍地，開發(fā)在改變密度的同時有意打破幾何自相似性的制造方法可用于減緩低密度材料隨著密度降低而模量和強度的劣化。我們希望我們的結果能激發(fā)新的方法，以加速發(fā)現(xiàn)基于局部結構元素優(yōu)化和架構優(yōu)化的低密度材料新的先進結構設計。