Progettazione e fabbricazione di strutture cellulari in polipropilene copolimero casuale/multiparete di nanotubi di carbonio (PPR/MWCNT):modelli CAD e immagini di reticoli PPR/MWCNT prodotti in modo additivo con 6 % in peso di nanotubi di carbonio (CNT) e 30% di densità relativa. Credito:Materiali di ingegneria avanzata (2022). DOI:10.1002/adem.202200194
Le forme cellulari dei materiali naturali sono l'ispirazione alla base di un nuovo materiale con architettura intelligente, leggero e stampato in 3D, sviluppato da un team internazionale di ingegneri.
Il team, guidato da ingegneri dell'Università di Glasgow, ha mescolato una forma comune di plastica industriale con nanotubi di carbonio per creare un materiale più resistente, resistente e intelligente rispetto ai materiali convenzionali comparabili.
I nanotubi consentono anche alla plastica altrimenti non conduttiva di trasportare una carica elettrica in tutta la sua struttura. Quando la struttura è sottoposta a carichi meccanici, la sua resistenza elettrica cambia. Questo fenomeno, noto come piezoresistività, conferisce al materiale la capacità di "percepire" la propria salute strutturale.
Utilizzando tecniche di stampa 3D avanzate che forniscono un elevato livello di controllo sulla progettazione delle strutture stampate, sono stati in grado di creare una serie di progetti intricati con un'architettura porosa mesoscala, che aiuta a ridurre il peso complessivo di ciascun progetto e massimizzare le prestazioni meccaniche.
I design cellulari del team sono simili ai materiali porosi che si trovano nel mondo naturale, come alveari, spugne e ossa, che sono leggeri ma robusti.
I ricercatori ritengono che i loro materiali cellulari potrebbero trovare nuove applicazioni nella medicina, nelle protesi e nel design automobilistico e aerospaziale, dove sono richiesti materiali a bassa densità e resistenti con la capacità di avere un'eccessiva autostima.
La ricerca è disponibile online come documento in anteprima sulla rivista Advanced Engineering Materials .
Nel documento, i ricercatori descrivono come hanno studiato le caratteristiche di assorbimento di energia e di auto-rilevamento di tre diversi progetti nanoingegnerizzati che hanno stampato utilizzando il loro materiale personalizzato, che è costituito da un copolimero casuale di polipropilene e nanotubi di carbonio a più pareti.
Dei tre progetti testati, hanno scoperto che uno esibiva il mix più efficace di prestazioni meccaniche e capacità di auto-rilevamento:un "reticolo piatto" a forma di cubo che incorporava fogli piatti fitti.
La struttura reticolare, quando sottoposta a compressione monotona, mostra una capacità di assorbimento di energia simile alle schiume di nichel aventi la stessa densità relativa. Ha anche superato una serie di altri materiali convenzionali della stessa densità.
La ricerca è stata guidata dal dottor Shanmugam Kumar della James Watt School of Engineering dell'Università di Glasgow, insieme ai colleghi del professor Vikram Deshpande dell'Università di Cambridge e del professor Brian Wardle del Massachusetts Institute of Technology.
Il Dr. Kumar ha dichiarato:"La natura ha molto da insegnare agli ingegneri su come bilanciare proprietà e struttura per creare materiali leggeri ad alte prestazioni. Abbiamo preso ispirazione da queste forme per sviluppare i nostri nuovi materiali cellulari, che offrono vantaggi unici rispetto a quelli prodotti in modo convenzionale. controparti e possono essere finemente sintonizzati per manipolare le loro proprietà fisiche.
"Il copolimero random di polipropilene che abbiamo scelto offre una maggiore lavorabilità, una migliore resistenza alla temperatura, una migliore consistenza del prodotto e una migliore resistenza all'impatto. I nanotubi di carbonio contribuiscono a renderlo meccanicamente robusto mentre conferiscono conduttività elettrica. Possiamo scegliere l'entità della porosità in il design e l'architetto della geometria porosa per migliorare le proprietà meccaniche specifiche della massa.
"Materiali leggeri, più resistenti e autosensibili come questi hanno un grande potenziale per applicazioni pratiche. Potrebbero aiutare a realizzare carrozzerie più leggere ed efficienti, ad esempio, o tutori per la schiena per persone con problemi come la scoliosi in grado di percepire quando i loro corpi non stanno ricevendo un supporto ottimale. Potrebbero anche essere utilizzati per creare nuove forme di elettrodi progettati per batterie."
Il documento del team, intitolato "Multifunzionalità di reticoli autosensibili nanoingegnerizzati abilitati dalla produzione additiva", è pubblicato in Materiali di ingegneria avanzata . + Esplora ulteriormente
