Nieuw polymeer maakt 3D-geprint zand supersterk

Een nieuw polymeer ontwikkeld in Oak Ridge National Laboratory versterkt zand voor additieve productietoepassingen. Een 3D-geprinte zandbrug van 6,5 centimeter, hield 300 keer zijn eigen gewicht vast (Foto: Dustin Gilmer/University of Tennessee, Knoxville)

Onderzoekers van het Department of Energy van het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) hebben een nieuw polymeer ontwikkeld om 3Dgeprint silicazand te binden en te versterken. Het polymeer wordt toegevoegd bij binder jetting, een 3Dprintmethode die wordt gebruikt in de industrie voor het maken van onderdelen. De studie demonstreert het principe met een 6,5 centimeter lang 3Dgeprint bruggetje van zand, die 300 keer zijn eigen gewicht kan dragen. Het onderzoek werd in november gepubliceerd in Nature Communications.

Binder jetting is een 3Dprinttechniek, waarbij poederdeeltjes met een vloeibaar bindmiddel met elkaar worden verbonden. Het bindmiddel, niet het poeder, komt uit de inktjet printkop. Het poederdek wordt na elke laag aangevuld. Het bindende polymeer geeft het bedrukte zand zijn sterkte. Het binder jettingprintproces is naar verluidt goedkoper en sneller dan veel andere industriële 3Dprintmethoden. Onderdelen die met binder jetting zijn gemaakt, zijn aanvankelijk poreus als ze uit het printbed worden verwijderd. Ze kunnen worden versterkt door het ontwerp te infiltreren met een soort superlijmmateriaal, cyanoacrylaat. Die tweede stap zorgde voor een achtvoudige sterktetoename, waardoor de polymeerzandcomposiet sterker is dan alle andere en alle bekende bouwmaterialen, inclusief metselwerk. Onderdelen gevormd met conventionele bindmiddelen worden dichter gemaakt met

geïnfiltreerde materialen, zoals superlijm, maar het Oak Ridge team gebruikte in plaats daarvan een nieuw ontwikkeld polyethyleenimine (PEI)bindmiddel. Dat verdubbelde de sterkte van het zand in vergelijking met conventionele bindmiddelen. De indrukwekkende sterkte van het PEIbindmiddel komt volgens de onderzoekers voort uit de manier waarop het polymeer tijdens het uitharden reageert op binding met cyanoacrylaat.

Silicazand is een goedkoop, makkelijk verkrijgbaar materiaal dat in de auto en ruimtevaartsector in de belangstelling staat voor het maken van zandgietmatrijzen. Nadeel van de huidige zandgietmatrijzen is dat ze gevoelig zijn voor falen. Er zijn simpelweg sterkere zandmallen nodig. Volgens de ORNLonderzoekers maakt de nieuwe supersterke polymeerzandcomposiet het nu mogelijk om mallen met meer complexe geometrieën te fabriceren, wat de toepassingsmogelijkheden voor productie en constructie vergroot.

Meer bij ORNL>

Het onderzoek werd in november gepubliceerd in Nature Communications met de titel ‘Additive manufacturing of strong silica sand structures enabled by polyethyleneimine binder’. Het staat online>

Oak Ridge National Laboratory scientist Tomonori Saito met een 3D-geprint zandkasteeltje bij DOE Manufacturing Demonstration Facility at ORNL (Foto: Carlos Jones/ORNL, U.S. Dept. of Energy)

5,6 & 7 april 2022 UTRECHT (WERKSPOORKATHEDRAAL)

De data en locatie van MaterialDistrict 2022 zijn bekend. Het evenement verhuist van maart naar 5,6 & 7 april en van Rotterdam naar Utrecht (Werkspoorkathedraal).

MaterialDistrict Utrecht (voorheen Material Xperience) is het enige jaarlijkse evenement in Nederland dat materiaalfabrikanten en bestekschrijvers van materialen in alle sectoren van de ruimtelijke vormgeving (interieur, architectuur, tuin & landschap, vrije tijd, meubel & interieurbouw en expositie, podium & decor).

Klik hier voor meer informatie

In-situ nanoscopische waarnemingen van lokale corrosie in aluminiumlegeringen voor de luchtvaart

Decennialang is lokale corrosie van hogesterktealuminiumlegeringen indirect en via traditionele en afzonderlijk uitgevoerde elektrochemische, spectroscopische en microscopische technieken bestudeerd. De benaderingen die tot nu toe zijn toegepast, missen over het algemeen voldoende laterale en tijdresolutie om corrosie in een vroeg stadium te kunnen analyseren. Corrosie wordt namelijk geactiveerd op nanoscopische niveaus waar lokale en dynamische elektrochemische activiteiten door microstructurele heterogeniteiten wordt bepaald. Dat is de reden waarom tot op heden relevante theorieën met name tot stand zijn gekomen door het overbruggen en koppelen van afzonderlijk verkregen informatie en worden beschreven in eerder stochastische dan deterministische termen. Een gedetailleerd begrip van lokale corrosiemechanismen van complexe microstructuren is van cruciaal belang voor het ontwikkelen van betrouwbare en actieve corrosiebeschermingsstrategieën.

Lokale corrosie in AA2024T3, de meest gebruikte aluminiumlegering in de luchtvaart, betreft ingewikkelde lokale degradatiefenomenen die voornamelijk plaatsvinden bij intermetallische deeltjes (IMs) die in de legeringsmatrix zijn gedispergeerd om de mechanische eigenschappen te verbeteren. Dit kan uiteindelijk leiden tot potentieel catastrofale putcorrosie en interkristallijne corrosie als het niet tijdig wordt waargenomen en beheerst. Samen met traditionele analytische elektronenmicroscopie heeft dr. Ali Kosari de transmissieelektronenmicroscoop in de vloeistoffase toegepast om

Figuur: Liquid-phase scanning TEM voor het onderzoeken van lokale corrosiedegradatie in aluminiumlegeringen in de luchtvaart, van oppervlakte-initiatie tot diepgaande verspreiding op nanoschaal. (a) Driedimensionale reconstructie van de AA2024-T3 microstructuur die leidt tot gecompliceerde corrosie. (b) Schema van een vloeibare cel die wordt gebruikt voor TEM studies in de vloeistoffase. De voorbereide TEM-monsters worden overgebracht naar de zelfgemaakte vloeibare cel met behulp van een focused-ion-beam (FIB) gebaseerde procedure. (c) TEM-waarnemingen in bovenaanzicht worden geleverd door één kant van het TEM-monster te maskeren met 25 nm dik tetraethylorthosilicaat (TEOS). (d) Transversale scanning TEM-waarnemingen waarbij het TEM-monster is ingeklemd tussen twee 25 nm dikke lagen TEOS. De corrosieve oplossing is 0.01 M NaCl.

gecompliceerde corrosieprocessen in AA2024T3 te bestuderen in een project onder leiding van prof. Arjan Mol, prof. Herman Terryn (Corrosietechnologie en Elektrochemie, Afdeling Materials Science and Engineering, Technische Universiteit Delft) en prof. Henny Zandbergen en dr. Frans Tichelaar (Afdeling Quantum Nanoscience, Kavli Institute of Nanoscience, Technische Universiteit Delft). Door middel van een speciale en ingewikkelde, zelfgemaakte experimentele opstelling konden ze voor het eerst 'live' lokale corrosieinitiatie en propagatie bij verschillende IMs op nanoschaal waarnemen. Ze demonstreerden dat de intrinsieke elektrochemische stabiliteit van intermetallische verbindingen een

dominante factor is die de kinetiek van lokale IMgeïnduceerde corrosie bepaalt. Hun onderzoek richt zich op de vroege zelfcorrosie (selectief oplossen) van verschillende IMs en hoe dit fenomeen de resulterende lokale oplossingschemie beïnvloedt. Hiermee worden gedetailleerde mechanismen ontrafeld, die lokale corrosie van aluminiumlegeringen in de luchtvaart verklaren en aanknopingspunten bieden om de huidige mogelijkheden voor actieve bescherming van deze legeringen te verbeteren.

Ali Kosari verdedigde zijn dissertatie met als titel 'Corrosion and Corrosion Inhibition Studies of Aerospace Aluminium Alloys at the Nanoscale using TEM Approaches' op 6 oktober 2021 aan de Technische Universiteit Delft.

Zijn dissertatie is online beschikbaar>

Onderzoek naar gepultrudeerde ‘vormgeheugen’ composieten

Onderzoekers van het Russische Skoltech instutuut (Moskou) hebben het vormgeheugengedrag onderzocht van een veelbelovend type composietmateriaal: glasvezelversterkte op epoxy gebaseerde platte laminaten, gemaakt met pultrusie. Pultrusie (profieltrekken), is een continue vormgevingstechniek waarbij een vezel, voorzien van een hars, door een matrijs wordt getrokken.

De bevindingen werden afgelopen november gepubliceerd in Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, onder de titel ‘Investigation into the effects of interply sliding during double diafragma shaping for multilayered biaxial noncrimp fabrics’.

Vormgeheugenpolymeren zijn materialen die hun oorspronkelijke vorm kunnen aannemen onder externe prikkels zoals temperatuur, licht, vocht, zuurgraad, elektriciteit of elektromagnetisch veld. Ze worden veel gebruikt in de lucht en ruimtevaart, biomedische en autoindustrie, maar ook in 4Dprinten, temperatuursensoren en elektronische apparaten.

Vormgeheugenpolymeren worden vaak versterkt met koolstof, basalt of glasvezels, wat resulteert in composietmaterialen met uitstekende eigenschappen. Voor de fabricage van vormgeheugenpolymeercomposiet wordt een aantal technieken gebruikt, waarvan de meeste redelijk goed bestudeerd zijn. Verrassend genoeg zijn er tot nu toe geen

Vormgeheugentesten van uitgeharde hars en gepultrudeerde composietmonsters: (a) Vervormd exemplaar van uitgeharde hars in de testopstelling na verwarming; (b) uitgeharde harsmonsters na vormfixatie; (c) uitgeharde harsmonsters na herstel van de vorm; d) vervormd monster van gepultrudeerd composiet in de testopstelling na verwarming; (e) geometrie van gepultrudeerd composietspecimen na vormfixatie in vergelijking met geometrie van de testopstelling; en (f) gepultrudeerd composietmonster na vormherstel (Bron: Roman Korotkov et al./Composites Part A: Applied Science and Manufacturing)

studies gedaan naar het vormgeheugeneffect in composieten geproduceerd door pultrusie volgens Skoltech het meest efficiënte composietproductieproces dat beschikbaar is. Het is een snelle, veelzijdige en afvalarme technologie die mogelijk nieuwe soorten structurele componenten met vormgeheugen kan opleveren met eigenschappen, die onmogelijk via andere methoden te maken zijn. De wetenschappers van Skoltech onderzochten het vormgeheugengedrag en de mechanische eigenschappen van op epoxy gebaseerde gepultrudeerde platte laminaten, versterkt met unidirectionele glasvezels. De resultaten tonen aan dat ze veelbelovend zijn voor structurele toepassingen.

Skoltech>