Используя нанотрубки, полипропилен, полиэтилен высокой плотности и 3D-печать, ученые разрабатывают композиционный материал с энергопоглощение лучше, чем у алюминия.
Полипропилен (ПП) и полиэтилен высокой плотности (ПЭВП) — широко применяемые полимеры; они недорогие, доступные, легкообрабатываемые, пригодные для повторного использования, стойкие к растворителям и обладающие множеством других преимуществ, но, как отмечает группа исследователей во главе с инженерами из Университета Глазго (Глазго, Великобраитания), эти материалы отличаются "неудовлетворительными ударными свойствами" [низкая ударная прочность и сопротивление вдавливанию], которые ученые смогли улучшить благодаря разработке пластинчато-решетчатого ячеистого метаматериала с использованием многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ) в полимерной матрице.
Расчетная структура (слева) и напечатанные на 3D-принтере варианты (справа). Матрицы из полипропилена и полиэтилена высокой плотности с заполнителями из углеродных нанотрубок превосходят алюминий по удельному поглощению энергии, что в перспективе позволит использовать их в таких областях, как автомобилестроение. Источник фото: Университет Глазго
Unit cell — Элементарная ячейка, Lattice design — Решетчатая структура, Hybrid plate-lattice design — Гибридная пластинчато-решетчатая структура, Without carbon nanotube — Без углеродных нанотрубок, With carbon nanotube — С углеродными нанотрубками, 3D printed hybrid plate-lattices — Гибридные пластинчато-решетчатые структуры, напечатанные на 3D-принтере
Результат? “Наши гибридные пластинчато-решетчатые структуры обладают исключительной жесткостью и прочностью и демонстрируют превосходные характеристики поглощения энергии в сравнении с аналогичными структурами из алюминия", — говорит руководитель проекта, доктор Шанмугам Кумар, специалист по композиционным материалам и аддитивному производству на инженерном факультете имени Джеймса Уатта.
У этой разработки могут быть большие перспективы. Кумар говорит: “Одной из сфер применения этого нового материала может стать производство автомобилей, поскольку производители всегда стремятся облегчить вес кузова без ущерба для безопасности. Алюминий используется во многих современных конструкциях автомобилей, но структура нашего материала обеспечивает более высокую ударопрочность, что делает его перспективным для таких областей применения в будущем”.
Для создания особых геометрических структур были использованы полимеры. В кубических структурах имеется много свободного пространства между пластинами, что способствует снижению веса. Многостенные углеродные нанотрубки применялись для повышения динамической способности к поглощению энергии полипропилена и полиэтилена высокой плотности.
Для создания таких структур ученые использовали технологию печати методом послойного наплавления и 3D-принтер Creator Pro from Flash Forge (Цзиньхуа, Китай), оснащенный соплом диаметром 0,4 мм.
Компания Borouge Pvt. Ltd. (Мумбаи, Индия) поставляла следующие пластичные материалы: статистический сополимер полипропилена RA140E (PPR), полиэтилен высокой плотности и термопластичные материалы Borcoat ME0433 (ПЭВП). Многостенные углеродные нанотрубки со средним наружным диаметром ~10-12 нм и длиной <30 мкм поставлялись компанией Applied Nanostructured Solutions LLC (Балтимор, штат Мэриленд, США).
Анализируя решетчатую структуру, ученые обнаружили, что материалы PPR / 6 вес.% МУНТ и ПЭВП / 6 вес.% МУНТ демонстрируют удельное энергопоглощение 16,1 и 19,9 Дж/г, соответственно, что не только выше, чем у алюминия, но и сопоставимо с характеристиками нержавеющей стали и титана.
Кроме того, есть и экологические преимущества. Кумар объясняет: “Пригодность используемых пластмасс к переработке также делает наши материалы более привлекательными, поскольку мир стремится к снижению выбросов, и модели экономики замкнутого цикла будут особенно важны для экологической безопасности”.
В то время как 3D-печать все еще имеет свои ограничения с точки зрения производительности, Кумар добавляет: “Производство таких структур в промышленных масштабах уже сейчас становится реально возможным”.
Научная работа “Ударные характеристики пластинчато-решетчатых структур, напечатанных на 3D-принтере” опубликована в журнале Materials & Desig.
