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多孔的3D石墨烯,或成為最強最輕的新材料?

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如今,被認為是所有材料中,強度最高的就是二維形式的石墨烯。即使如此,可是要將二維的強度轉換到實際中來,製成可被利用的三維材料,仍然具有相當的挑戰性,也是數十年來困擾科研人員的難題。可是近期在麻省理工的一組工程師研究的一項科研項目中,成功設計出一種三維材料,其密度只有鋼的5%,可是強度卻超過鋼的十倍有餘。一舉成為現在已知的,最強的輕量化材料之一。

經過對種材料小到原子層面上的特性進行試驗研究,研究人員創造出一個數學模型,能確切的預估試驗結果。為了更好地測試這種材料,他們用純商用塑料3D列印出了模型,然後對其進行各種壓縮試驗,來驗證這種材料在碎裂前能承受多大的壓力。他們用同種材料製成兩個不同的多孔螺旋曲面,兩者的區別在於,材料壁的厚度,一個更厚,一個稍薄。

在對這兩個曲面實施壓力的時候,它們兩有完全不同的反應,稍薄的、更有彈性的模型在壓力的不斷加強下,是慢慢的瓦解。更厚、更剛硬的模型能儲存更多畸變的能量,到臨界值時,在一次劇烈的「爆炸」中釋放出來。

經過這個實驗,可以知道這樣的新三維結果的關鍵性質,在於它的特殊的幾何構造,而不在材料本身。所以,類似的高強度輕量化材料或許可由不同原材料製成,但是幾何特性可以相似。稍加改變幾何結構,其力學性質便能調整,那麼在實際應用中就可以用到這個原理。

強度高的輕量化結構性材料可以應用到許多地方,比如汽車、建築甚至是飛機以及其他的大型結構上,因為這種材料的形狀很特殊,為連續的、多孔的,並且其表面積很大,也可能在過慮設施和能量儲存系統中應用。由此看來,關於它的應用,可謂是相當寬廣。

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