Semblables aux tiges d'herbe, les scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont créé des tubes dans des tubes connectés par nanostrut qui permettent des matériaux structurels à faible densité plus solides.

Les matériaux poreux avec des conceptions de réseau dominées par l'étirement, qui offrent des propriétés mécaniques attrayantes avec un poids ultra-léger et une grande surface pour des applications étendues, ont récemment atteint une mise à l'échelle linéaire presque idéale entre la rigidité et la densité.

Dans la nouvelle recherche, l'équipe a développé un processus pour transformer des poutres polymères imprimées en 3D entièrement denses en structures sandwich tube-dans-tube creux en carbone graphitique, où, comme pour les tiges d'herbe, les tubes intérieur et extérieur sont reliés par un réseau de entretoises. La recherche est sur la couverture du numéro du 25 octobre de Nature Materials .

Les tests de compression et la modélisation informatique montrent que ce changement de morphologie de la poutre ralentit considérablement la diminution de la rigidité avec la diminution de la densité. Les expériences de compression ont en outre démontré une récupération importante de la déformation après une compression de 30 % à 50 %, conduisant à des propriétés de dissipation d'énergie gravimétriques élevées.

Les matériaux poreux à très faible densité ont de nombreuses applications émergentes, telles que les amortisseurs mécaniques, l'isolation thermique et acoustique, les échafaudages flexibles pour batteries et catalyseurs, les dispositifs MEMS et comme matériaux cibles pour les expériences de physique à haute densité d'énergie.

"Certaines de ces applications bénéficieront de la réduction de la densité du matériau de carbone inactif tout en offrant une surface spécifique élevée combinée à des propriétés de rigidité et de récupération de forme élevées", a déclaré Jianchao Ye, scientifique des matériaux du LLNL, co-auteur principal de l'article. "Pensez aux batteries ou aux catalyseurs :la structure tube dans tube unique combine d'excellentes propriétés mécaniques avec une faible densité et offre une grande surface pour le stockage d'énergie ou des catalyseurs avec des voies de transport de masse faciles."

Des conceptions de panneaux sandwich similaires avec des entretoises porteuses intégrées se trouvent également dans la nature, où la légèreté et de bonnes propriétés mécaniques sont importantes. Les exemples incluent les crânes de diverses espèces, les tiges de plantes et les os d'oiseaux. Alors que la nouvelle structure de carbone tube-dans-tube (STinT) ressemble à l'architecture des crânes d'animaux et des tiges de plantes, son échelle de longueur caractéristique est d'un ordre de grandeur plus petit.

Pour surmonter le défi de la dégradation rapide des propriétés mécaniques avec une densité décroissante, l'équipe a développé la conception STinT rigide. Plus précisément, ils ont fabriqué des micro-réseaux à base de carbone avec une morphologie de faisceau STinT intégrée grâce à un processus de pyrolyse-modèle catalysé au nickel en deux étapes. Ce processus de fabrication conserve la structure et les dimensions du modèle de polymère sacrificiel tel qu'imprimé pour fournir des réseaux de carbone remarquablement rigides avec des densités aussi faibles que 6,4 mg/cm3.

« Nous attribuons la rigidité de nos treillis de carbone à faible densité à la conception intégrée du faisceau tube-dans-tube entretoisé à l'échelle nanométrique qui permet des blocs de construction de treillis légers mais rigides, un concept de conception qui peut être appliqué orthogonalement aux efforts actuels d'optimisation de la topologie du treillis », a déclaré Juergen Biener, scientifique des matériaux du LLNL, co-auteur de l'article. + Explorer plus loin

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