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10. August 2017

von Emil Venere, Purdue University

Es wurde gezeigt, dass ein neues federleichtes, flammbeständiges und superelastisches „Metamaterial“ hohe Festigkeit mit elektrischer Leitfähigkeit und Wärmeisolierung kombiniert, was mögliche Anwendungen von Gebäuden bis zur Luft- und Raumfahrt nahelegt.

Der Verbundwerkstoff kombiniert Nanoschichten einer Keramik namens Aluminiumoxid mit Graphen, einer extrem dünnen Kohlenstoffschicht. Obwohl sowohl Keramik als auch Graphen spröde sind, verfügt das neue Metamaterial über eine Wabenmikrostruktur, die für Superelastizität und strukturelle Robustheit sorgt. Metamaterialien werden mit Merkmalen, Mustern oder Elementen im Nanometer- oder Milliardstel-Meter-Bereich hergestellt und bieten neue Eigenschaften für verschiedene potenzielle Anwendungen.

Graphen würde sich normalerweise zersetzen, wenn es hohen Temperaturen ausgesetzt wird, aber die Keramik verleiht eine hohe Hitzetoleranz und Flammwidrigkeit, Eigenschaften, die als Hitzeschild für Flugzeuge nützlich sein könnten. Das geringe Gewicht, die hohe Festigkeit und die stoßdämpfenden Eigenschaften könnten den Verbundstoff zu einem guten Substratmaterial für flexible elektronische Geräte und „große Dehnungssensoren“ machen. Da es eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist und dennoch ein ausgezeichneter Wärmeisolator ist, könnte es als flammhemmende, wärmeisolierende Beschichtung sowie für Sensoren und Geräte verwendet werden, die Wärme in Elektrizität umwandeln, sagte Gary Cheng, außerordentlicher Professor an der Fakultät für Wirtschaftsingenieurwesen an der Purdue University.

„Dieses Material ist leichter als eine Feder“, sagte er. „Die Dichte ist wirklich gering. Das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht ist sehr hoch.“

Die Ergebnisse wurden in einem Forschungsbericht detailliert beschrieben, der am 29. Mai in der Zeitschrift Advanced Materials veröffentlicht wurde. Das Papier war eine Zusammenarbeit zwischen Purdue, der Lanzhou University und dem Harbin Institute of Technology, beide in China, und dem US Air Force Research Laboratory. Ein Forschungshighlight zu der Arbeit erschien in der Zeitschrift Nature Research Materials.

„Die herausragenden Eigenschaften heutiger Komponenten auf Keramikbasis wurden genutzt, um viele multifunktionale Anwendungen zu ermöglichen, darunter Wärmeschutzhäute, intelligente Sensoren, Absorption elektromagnetischer Wellen und Korrosionsschutzbeschichtungen“, sagte Cheng.

Materialien auf Keramikbasis weisen jedoch mehrere grundlegende Engpässe auf, die ihren allgegenwärtigen Einsatz als Funktions- oder Strukturelemente verhindern.

„Hier berichten wir über ein multifunktionales Keramik-Graphen-Metamaterial mit mikrostrukturbedingter Superelastizität und struktureller Robustheit“, sagte Cheng. „Wir haben dies erreicht, indem wir eine hierarchische Wabenmikrostruktur entworfen haben, die aus mehrnanoschichtigen Zellwänden besteht, die als grundlegende elastische Einheiten dienen. Dieses Metamaterial zeigt gleichzeitig eine Abfolge multifunktionaler Eigenschaften, die für Keramik und Keramik-Matrix-Verbundstrukturen nicht berichtet wurden.“

Das Verbundmaterial besteht aus miteinander verbundenen Graphenzellen, die zwischen Keramikschichten eingebettet sind. Das als Aerogel bezeichnete Graphengerüst wird durch einen Prozess namens Atomlagenabscheidung chemisch mit Keramikschichten verbunden.

„Wir kontrollieren sorgfältig die Geometrie dieses Graphen-Aerogels“, sagte er. „Und dann tragen wir sehr dünne Schichten der Keramik auf. Die mechanischen Eigenschaften dieses Aerogels sind multifunktional, was sehr wichtig ist. Diese Arbeit hat das Potenzial, Graphen zu einem funktionelleren Material zu machen.“

Der Prozess könnte für die industrielle Fertigung ausgeweitet werden, sagte er.

Zukünftige Arbeiten umfassen Forschung zur Verbesserung der Materialeigenschaften, möglicherweise durch Änderung seiner Kristallstruktur, Vergrößerung des Herstellungsprozesses und Steuerung der Mikrostruktur zur Abstimmung der Materialeigenschaften.

Mehr Informationen: Qiangqiang Zhang et al. Fliegengewichtiges, superelastisches, elektrisch leitfähiges und flammhemmendes 3D-Multi-Nanoschicht-Graphen/Keramik-Metamaterial, Advanced Materials (2017). DOI: 10.1002/adma.201605506

Adam Brotchie. Metamaterialien: Graphen macht Keramik multifunktional, Nature Reviews Materials (2017). DOI: 10.1038/natrevmats.2017.44

Zeitschrifteninformationen:Fortgeschrittene Werkstoffe

Zur Verfügung gestellt von der Purdue University