메탈릭 마이크로 래티스

Metallic microlattice
민들레 씨앗 머리가 떠받치고 있는 금속성 마이크로 래티스 한 덩어리.

금속 마이크로라티스는 초경량 금속 거품으로 구성된 합성 다공성 금속 물질이다. 밀도가 0.99mg/cm3(0.00561lb/ft3)로 과학계에 알려진 가장 가벼운 구조물질 중 하나이다.[1] 캘리포니아에 본사를 둔 HRL 연구소의 과학자 팀이 캘리포니아 대학교, 어빈, 칼텍의 연구자들과 협력하여 개발했으며, 2011년 11월에 처음 발표되었다. 시제품 샘플은 니켈 인산 합금으로 만들어졌다.[2] 2012년, 마이크로래티스 프로토타입은 Popular Mechanics에 의해 10개의 세상을 바꾸는 혁신 중 하나로 선언되었다.[3] 금속 마이크로래티스 기술은 자동차와 항공공학에서 수많은 잠재적 응용분야를 가지고 있다.[4] 다른 유형의 금속 격자 구조들 간의 상세한 비교 검토 연구는 그것들이 경량화 목적에는 이롭지만 제조에는 비싸다는 것을 보여주었다.[5]

합성

금속성 미세 슬래티스를 생산하기 위해 HRL/UCI/Caltech 팀은 먼저 자기 제안 도파관 형성에 기초한 기법을 사용하여 폴리머 템플릿을 준비했지만,[6][7] 템플릿 제작에는 다른 방법을 사용할 수 있다는 점에 주목했다.[8] 그 과정은 구멍이 뚫린 마스크를 통해 자외선을 통과시켜 자외선 차단 수지 저장소로 보냈다. 광섬유와 같은 빛의 '셀프 트래핑'은 수지가 마스크의 각 구멍 아래에서 경화되면서 빛의 경로를 따라 얇은 폴리머 섬유를 형성하면서 발생했다. 여러 개의 광선을 사용함으로써 여러 개의 섬유가 상호 연결되어 격자를 형성할 수 있다.

이 과정은 2차원 마스크를 사용하여 시작 템플릿 구조를 정의한다는 점에서 포토리스토그래피와 비슷했지만 형성 속도에 차이가 있었다. 스테레오그래피가 전체 구조를 만드는 데 몇 시간이 걸릴 수 있는 경우 자체 형성 도파관 공정은 10~100초 만에 템플릿 형성을 허용했다. 이러한 방식으로, 이 공정을 통해 대형 독립형 3D 격자 재료가 빠르고 메스컬하게 형성될 수 있다. 그런 다음, 템플릿은 전기 없는 니켈 도금으로 얇은 금속 층으로 코팅되었고, 템플릿은 식각되어 독립적이고 주기적인 다공성 금속 구조를 남긴다. 니켈은 원래 리포트에서 마이크로 래티스 금속으로 사용되었다. 전기분해 공정으로 인해 물질의 7%가 용해된 인 원자로 구성되었으며 침전물이 들어 있지 않았다.[8]

특성.

금속 마이크로라티스는 속이 빈 스트럿을 서로 연결하는 네트워크로 구성되어 있다. 보고된 가장 적은 양의 마이크로 래티스 샘플에서, 각각의 스트럿은 지름이 약 100마이크로미터, 두께가 100나노미터인 벽이 있다. 완성된 구조물은 부피 기준 약 99.99%의 공기로,[2] 관례상 미세한 밀도를 계산할 때 공기의 질량이 제외된다.[8] 중간 공기의 질량을 허용하면, 구조물의 실제 밀도는 약 2.1 mg3/cm(2.1 kg/m3)로, 25 °C에서 공기 자체의 밀도의 약 1.76배에 불과하다. 소재는 스티로폼보다 100배 가벼워진 것으로 기술됐다.[9]

금속 마이크로 래티스는 밀도가 매우 낮은 것이 특징이며, 2011년 기록인 0.9 mg/cm는3 알려진 고체의 가장 낮은 값에 속한다. 종전 기록인 1.0mg/cm는3 실리카 에어로겔이 보유했으며, 에어로파이트의 밀도는 03.2mg/cm라고 한다.[10] 기계적으로, 이러한 미세한 점들은 엘라스토머와 행동적으로 유사하며, 상당한 압축 후에 거의 완전히 모양을 회복한다.[11] 이것은 그들에게 깨지기 쉽고 유리 같은 물질인 이전의 에어로겔에 비해 상당한 이점을 준다. 금속 미세한 부착물에 있는 이 탄성 성질은 또한 효율적인 충격 흡수를 초래한다. 그들의 영의 계량형 E는 에어로겔과 탄소 나노튜브 기포에서 E ~ ρ과3 비교하여 밀도 ,, E ~ ρ과2 다른 스케일링을 보인다.[8]

적용들

금속 마이크로라티스는 충격 흡수기와 같은 열 및 진동 절연체에서 잠재적 용도를 찾을 수 있으며 배터리 전극 및 촉매 지지대로도 유용할 수 있다.[8] 또한 압축된 후 원래 상태로 복귀하는 마이크로레이티스의 능력은 스프링과 같은 에너지 저장 장치에 사용하기에 적합할 수 있다.[2] 자동차·항공 제조사는[which?] 마이크로레이티스 기술을 활용해 구조 보강, 열전달 등 다중 기능을 고성능 차량용 단일 부품으로 결합한 초경량·효율 구조물을 개발하고 있다.[4]

유사재료

중합체 고속 원형 트러스 위에 전기 분해된 나노크리스탈린 니켈 층으로 구성된 유사하지만 밀도가 더 높은 물질은 2008년 토론토 대학의 연구원들에 의해 만들어졌다.[12] 2012년 독일 연구진은 금속성 마이크로라티스보다 밀도가 훨씬 낮은 에어로파이트로 알려진 탄소 거품을 만들었다.[13] 2013년, 중국 과학자들은 탄소 기반 에어로겔을 개발했는데, 이 에어로겔은 여전히 가볍다고 주장되었다.[1]

튜브 기반 나노구조체와 같은 나노기기는 더 작은 규모의 유사한 구조물이다.

참조

  1. ^ a b "In pictures: Ultra-light material". BBC. 9 April 2013. Retrieved 1 July 2013.
  2. ^ a b c "Metallic microlattice 'lightest structure ever'". Chemistry World. 17 November 2011. Archived from the original on 21 November 2011. Retrieved 21 November 2011.
  3. ^ Sterling, Robert (29 October 2012). "The world's lightest material". Boeing. Archived from the original on 2 November 2012. Retrieved 2 November 2012.
  4. ^ a b "MICROLATTICE: HOW REVOLUTIONARY METALLIC STRUCTURES ARE BENEFITING GLOBAL MANUFACTURERS". Institution of Mechanical Engineers. 28 February 2013. Archived from the original on 25 February 2015. Retrieved 25 February 2015.
  5. ^ Rashed, M.G.; Ashraf, Mahmud; Mines, R.A.W.; Hazell, Paul J. (2016). "Metallic microlattice materials: A current state of the art on manufacturing, mechanical properties and applications". Materials & Design. 95: 518–533. doi:10.1016/j.matdes.2016.01.146.
  6. ^ Jacobsen, A.J.; Barvosa-Carter, W.B.; Nutt, S. (2007). "Micro-scale Truss Structures formed from Self-Propagating Photopolymer Waveguides". Advanced Materials. 19 (22): 3892–3896. doi:10.1002/adma.200700797.
  7. ^ 미국 특허권 7382959, Alan J. Jacobsen, "옵션 지향 3차원 폴리머 마이크로구조물"이 HRL LLC에 할당됨.
  8. ^ a b c d e Schaedler, T. A.; Jacobsen, A. J.; Torrents, A.; Sorensen, A. E.; Lian, J.; Greer, J. R.; Valdevit, L.; Carter, W. B. (12 October 2011). "Ultralight Metallic Microlattices". Science. 334 (6058): 962–5. Bibcode:2011Sci...334..962S. doi:10.1126/science.1211649. PMID 22096194. S2CID 23893516.
  9. ^ "World's 'lightest material' unveiled by US engineers". BBC News. 18 November 2011. Retrieved 25 November 2011.
  10. ^ "신규 탄소 나노튜브 곡예비행장은 가장 가벼운 재료 챔피언이다." Phys.org. 2012년 7월 13일. 2012년 7월 14일 회수
  11. ^ Stephen Shankland (18 November 2011). "Breakthrough material is barely more than air". CNET. Retrieved 26 April 2013.
  12. ^ Gordon, L.M.; Bouwhuis, B.A.; Suralvo, M.; McCrea, J.L.; Palumbo, G.; Hibbard, G.D. (2009). "Micro-truss nanocrystalline Ni hybrids". Acta Materialia. 57 (3): 932–939. doi:10.1016/j.actamat.2008.10.038.
  13. ^ "Aerographit: Forscher entwickeln leichtestes Leichtgewicht". Der Spiegel (in German). 11 July 2012. Retrieved 1 July 2013.

외부 링크