Graphene-ceramic metamaterial shows promise in sensors and heat shields / Il metamateriale grafene-ceramica mostra promesse nei sensori e negli scudi termici.
Graphene-ceramic metamaterial shows promise in sensors and heat shields / Il metamateriale grafene-ceramica mostra promesse nei sensori e negli scudi termici.
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
Graphene-ceramic meta material exhibits unique properties for multiple applications
A new lightweight, flame-resistant and super-elastic metamaterial combines high strength with electrical conductivity and thermal insulation for applications ranging from heat shields to sensors.
Developed at Purdue University, the composite combines nano layers of aluminium oxide with graphene, both of which are brittle. This attribute is countered by the metamaterial’s honeycomb microstructure, which provides super-elasticity and structural integrity.
Graphene would ordinarily degrade when exposed to high temperature, but the ceramic aluminium oxide imparts high heat tolerance and flame-resistance, properties that might be useful as a heat shield for aircraft.
The lightweight, high-strength and shock-absorbing properties could make the composite a good substrate material for flexible electronic devices and large strain sensors.
Because it has high electrical conductivity and yet is an excellent thermal insulator, it might be used as a flame-retardant, thermally insulating coating, as well as for sensors and devices that convert heat into electricity, said Gary Cheng, an associate professor in the School of Industrial Engineering at Purdue University.
“This material is lighter than a feather,” he said in a statement. “The density is really low. It has a very high strength-to-weight ratio.”
Findings have been published in Advanced Materials. The paper was a collaboration between Purdue, Lanzhou University and the Harbin Institute of Technology, both in China and the US Air Force Research Laboratory.
A research highlight about the work appeared in Nature Research Materials.
“The outstanding properties of today’s ceramic-based components have been used to enable many multifunctional applications, including thermal protective skins, intelligent sensors, electromagnetic wave absorption and anticorrosion coatings,” Cheng said.
However, ceramic-based materials have several fundamental bottlenecks that prevent their ubiquitous use as functional or structural elements.
“Here, we report a multifunctional ceramic-graphene metamaterial with microstructure-derived super-elasticity and structural robustness,” Cheng said. “We achieved this by designing a hierarchical honeycomb microstructure assembled with multi-nanolayer cellular walls serving as basic elastic units. This metamaterial demonstrates a sequence of multifunctional properties simultaneously that have not been reported for ceramics and ceramics–matrix–composite structures.”
The composite material is made of interconnected cells of graphene sandwiched between ceramic layers. The graphene scaffold – or graphene aerogel – is chemically bonded with ceramic layers using atomic layer deposition.
“We carefully control the geometry of this graphene aerogel,” he said. “And then we deposit very thin layers of the ceramic. The mechanical property of this aerogel is multifunctional, which is very important. This work has the potential of making graphene a more functional material.”
The process might be scaled up for industrial manufacturing, he said.
ITALIANO
Il metamateriale grafene-ceramica presenta proprietà uniche per più applicazioni
Un nuovo metamateriale leggero, antifiamma e superelastico combina l'alta resistenza con la conducibilità elettrica e l'isolamento termico per applicazioni che vanno dagli scudi termici ai sensori.
Sviluppato presso la Purdue University, il composito combina nano strati di ossido di alluminio con grafene, entrambi fragili. Questo attributo viene contrastato dalla microstruttura a nido d'ape del metamateriale, che fornisce superelasticità e integrità strutturale.
Il grafene sarebbe degradato generalmente quando esposto ad alta temperatura, ma l'ossido di alluminio ceramico conferisce elevata tolleranza al calore e resistenza alla fiamma, proprietà che potrebbero essere utili come scudi termici per gli aeromobili.
Le proprietà leggere, ad alta resistenza e assorbimento degli urti potrebbero rendere il composito un buon materiale di substrato per dispositivi elettronici flessibili e sensori di grande sforzo.
Dal momento che ha una elevata conducibilità elettrica ed è ancora un ottimo isolante termico, potrebbe essere utilizzato come rivestimento antiruggine e termoresistente, nonché per sensori e dispositivi che trasformano il calore in elettricità, ha dichiarato Gary Cheng, professore associato Scuola di Ingegneria Industriale presso la Purdue University.
"Questo materiale è più leggero di una piuma", ha detto in una dichiarazione. "La densità è veramente bassa. Ha un rapporto di resistenza e peso molto elevato ".
I risultati sono stati pubblicati in Advanced Materials. Il lavoro è stata una collaborazione tra Purdue, Lanzhou University e l'Istituto di Tecnologia di Harbin, sia in Cina che presso l'US Air Force Research Laboratory.
"Le proprietà eccezionali dei componenti a base di ceramica oggi sono stati utilizzati per consentire molte applicazioni multifunzionali, tra cui pelli di protezione termica, sensori intelligenti, assorbimento delle onde elettromagnetiche e rivestimenti anticorrosivi", ha dichiarato Cheng.
Tuttavia, i materiali a base di ceramica hanno diversi problemi fondamentali che impediscono il loro uso dovunque come elementi funzionali o strutturali.
"Qui riportiamo un metamateriale multifunzionale di ceramica-grafene con superelasticità derivata da microstrutture e robustezza strutturale", ha dichiarato Cheng. "Abbiamo raggiunto questo obiettivo progettando una microstruttura gerarchica a nido d'ape assemblato con pareti cellulari multi-nanostrato che servono come unità elastiche di base. Questo metamateriale dimostra una sequenza di proprietà multifunzionali simultaneamente che non sono state riportate per ceramica e strutture ceramiche-matrici composite ".
Il materiale composito è costituito da cellule interconnesse di grafene stratificate tra strati ceramici. Lo scheletro di grafene - o il graphene airgel - è legato chimicamente con strati ceramici usando la deposizione dello strato atomico.
"Controlliamo con cura la geometria di questo airgel di grafene", ha detto. "E poi depositi strati molto sottili della ceramica. La proprietà meccanica di questo airgel è multifunzionale, che è molto importante. Questo lavoro ha il potenziale di rendere il grafene un materiale più funzionale ".
Il processo potrebbe essere scalato per la produzione industriale, ha detto.
Da:
https://www.theengineer.co.uk/graphene-metamaterial/?cmpid=tenews_3774634&adg=CA40D8F0-63B9-4BE1-90A0-3379B1DDE40E
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