Піроліз дозволив створити 3D-друковані композити на три порядку міцніше аналогів

Вчені з Китаю і США надрукували на 3D-принтері композиційні матеріали і, витримавши при високих температурах, отримали легковагові нанорешетки з аморфного вуглецю. Матеріали опинилися на три порядку міцніше всіх існуючих легких нано- і мікрокомпозитних матеріалів, нечутливі до дефектів, що утворилися в процесі синтезу, і витримали об'ємні деформації більше десяти відсотків.

Ідеальний матеріал має низьку щільність, високу міцність, термічну та хімічну стійкість. Легковаговими можна назвати матеріали, щільність яких менше щільності води (один грам на кубічний сантиметр). Вага конструкції, зі збільшенням (хоча б без втрати) міцності зазвичай зменшують шляхом створення композитів з порожніх металевих стрижнів або заповнених більш легкими полімерними речовинами. Привабливими композиційними матеріалами також є скловуглець і аерографіт. Однак, чим менше щільність матеріалу, тим він більш крихкий і м'який.

Сюань Чжану (Xuan Zhang) з Університету Цинхуа з колегами вдалося зменшити масу і розмір елементарного осередку решітки композиційного матеріалу до одиниць мікрометрів, що значно підвищило його міцність без втрати низьких значень щільності. За теоретичними моделями і розрахунками автори вибрали дві найбільш оптимальні (ізотропну і анізотропну) геометрії решіток, надрукували їх з полімеру на 3D-принтері, витримали п'ять годин при температурі 900 градусів Цельсія, і перевірили механічні властивості отриманих матеріалів.

У процесі піролізу полімер окисляється до аморфного вуглецю, в результаті чого, розміри елементарних осередків решіток зменшилися з десяти мікрометрів до двох, а маса зразків стала менше на 20-25 відсотків.

Обидва типи решіток витримали тиск рівня одиниць гігапаскалей і об'ємні деформації до 15 відсотків. Для порівняння, подібні матеріали зі скловуглецю мали міцність стиснення до трьох десятих мегапаскалю і стискалися тільки на п'ять відсотків. Більш того, нові матеріали, щільність яких була вище 0,95 грамів на кубічний сантиметр, виявилися механічно нечутливими до дефектів, які з'явилися в результаті синтезу.

На початку року британські вчені повідомили про друк на 3D-принтері метаматеріалів зі сталі та полімерів, що імітують за структурою дефекти в кристалах, які зробили їх міцнішими.