Ученые из Китая и США напечатали на 3D-принтере композиционные материалы и, выдержав при высоких температурах, получили легковесные нанорешетки из аморфного углерода. Материалы оказались на три порядка прочнее всех существующих легких нано- и микрокомпозитных материалов, нечувствительны к дефектам, образовавшимся в процессе синтеза, и выдержали объемные деформации более десяти процентов.

Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences. Идеальный материал обладает низкой плотностью, высокой прочностью, термической и химической устойчивостью. Легковесными можно назвать материалы, плотность которых меньше плотности воды (один грамм на кубический сантиметр). Вес конструкции, с увеличением (хотя бы без потери) прочности обычно уменьшают путем создания композитов из полых металлических стержней или заполненных более легкими полимерными веществами. Привлекательными композиционными материалами также являются стеклоуглерод и аэрографит. Однако, чем меньше плотность материала, тем он более хрупкий и мягкий.

Сюань Чжану (Xuan Zhang) из Университета Цинхуа с коллегами удалось уменьшить массу и размер элементарной ячейки решетки композиционного материала до единиц микрометров, что значительно повысило его прочность без потери низких значений плотности. По теоретическим моделям и расчетам авторы выбрали две наиболее оптимальные (изотропную и анизотропную) геометрии решеток, напечатали их из полимера на 3D-принтере, выдержали пять часов при температуре 900 градусов Цельсия, и проверили механические свойства полученных материалов.

Модели элементарных ячеек решетки (слева) и напечатанные на 3D-принтере решетки после пиролиза (справа). Желтыми кругами обозначены дефекты. / Xuan Zhang et al., / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2019

В процессе пиролиза полимер окисляется до аморфного углерода, в результате чего, размеры элементарных ячеек решеток уменьшились с десяти микрометров до двух, а масса образцов стала меньше на 20–25 процентов.

Эксперименты по сжатию полученнных материалов / Xuan Zhang et al., / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2019

Оба типа решеток выдержали давление уровня единиц гигапаскалей и объемные деформации до 15 процентов. Для сравнения, подобные материалы из стеклоуглерода имели прочность сжатия до трех десятых мегапаскаля и сжимались только на пять процентов. Более того, новые материалы, плотность которых была выше 0,95 граммов на кубический сантиметр, оказались механически нечувствительны к дефектам, которые появились в результате синтеза.