감독자

2017년 8월 10일

작성자: Emil Venere, 퍼듀 대학교

가볍고, 불에 강하고, 초탄성인 새로운 "메타물질"이 높은 강도와 ​​전기 전도성 및 단열성을 결합한 것으로 나타났으며, 이는 건물에서 항공우주에 이르기까지 잠재적인 응용 가능성을 시사합니다.

이 복합재는 산화알루미늄이라고 불리는 세라믹 나노층과 극도로 얇은 탄소 시트인 그래핀을 결합합니다. 세라믹과 그래핀 모두 부서지기 쉽지만, 새로운 메타물질은 초탄성 및 구조적 견고성을 제공하는 벌집 모양의 미세 구조를 가지고 있습니다. 메타물질은 나노미터 또는 10억분의 1미터 규모의 기능, 패턴 또는 요소로 설계되어 다양한 잠재적 응용 분야에 새로운 특성을 제공합니다.

그래핀은 일반적으로 고온에 노출되면 분해되지만 세라믹은 항공기의 열 차폐재로 유용할 수 있는 높은 내열성과 난연성 특성을 부여합니다. 경량, 고강도 및 충격 흡수 특성으로 인해 복합재는 유연한 전자 장치 및 "대형 변형 센서"를 위한 우수한 기판 재료가 될 수 있습니다. 전기 전도성이 높으면서도 우수한 단열재이기 때문에 난연성 단열 코팅뿐만 아니라 열을 전기로 변환하는 센서 및 장치로도 사용될 수 있다고 이 학교 부교수인 Gary Cheng은 말했습니다. 퍼듀대학교 산업공학과.

“이 소재는 깃털보다 가볍습니다.”라고 그는 말했습니다. "밀도가 정말 낮습니다. 무게 대비 강도 비율이 매우 높습니다."

연구 결과는 Advanced Materials 저널에 5월 29일에 발표된 연구 논문에 자세히 나와 있습니다. 이 논문은 퍼듀(Purdue), 란저우 대학교(Lanzhou University), 중국 하얼빈 공과대학(Harbin Institute of Technology), 미 공군 연구소(US Air Force Research Laboratory) 간의 협력으로 이루어졌습니다. 이 연구에 대한 연구 하이라이트는 Nature Research Materials 저널에 실렸습니다.

Cheng은 "오늘날 세라믹 기반 부품의 뛰어난 특성은 열 보호 스킨, 지능형 센서, 전자파 흡수 및 부식 방지 코팅을 비롯한 다양한 다기능 응용 분야를 구현하는 데 사용되었습니다."라고 말했습니다.

그러나 세라믹 기반 재료에는 기능적 또는 구조적 요소로 유비쿼터스 사용을 방해하는 몇 가지 근본적인 병목 현상이 있습니다.

Cheng은 "여기서 우리는 미세 구조에서 유래된 초탄성 및 구조적 견고성을 갖춘 다기능 세라믹-그래핀 메타물질을 보고합니다"라고 말했습니다. "우리는 기본 탄성 단위 역할을 하는 다중 나노층 세포벽으로 조립된 계층적 벌집형 미세 구조를 설계함으로써 이를 달성했습니다. 이 메타물질은 세라믹 및 세라믹-매트릭스 복합 구조에 대해 보고되지 않은 일련의 다기능 특성을 동시에 보여줍니다."

복합 재료는 세라믹 층 사이에 끼워져 있는 상호 연결된 그래핀 셀로 만들어집니다. 에어로겔이라고 불리는 그래핀 지지체는 원자층 증착이라는 공정을 사용하여 세라믹 층과 화학적으로 결합됩니다.

“우리는 이 그래핀 에어로겔의 기하학적 구조를 주의 깊게 제어했습니다.”라고 그는 말했습니다. "그런 다음 매우 얇은 세라믹 층을 증착합니다. 이 에어로겔의 기계적 특성은 다기능이며 이는 매우 중요합니다. 이 연구는 그래핀을 보다 기능적인 재료로 만들 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다."

그는 이 공정이 산업 제조를 위해 확장될 수 있다고 말했다.

향후 연구에는 결정 구조를 변경하고, 제조 공정을 확장하고, 미세 구조를 제어하여 재료 특성을 조정함으로써 재료의 특성을 향상시키는 연구가 포함될 것입니다.

추가 정보: Qiangqiang Zhang et al. 플라이웨이트, 초탄성, 전기 전도성 및 난연성 3D 다중 나노층 그래핀/세라믹 메타물질, 고급 재료(2017). DOI: 10.1002/adma.201605506