[論文レビュー] Zeolite-inspired 3d printed structures with enhanced mechanical properties

Rushikesh S. Ambekar, Eliezer Fernando Oliveira+8 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2020

Carbon Nanotubes in Composites参考文献 52被引用数 30

ひとこと要約

本研究では、ゼオライト型触媒を用いたカーボンナノチューブネットワーク（CNTnets）を建築的ブループrintとして用いることで、超軽量で高強度な3Dプリント構造体を設計する新しい手法を提案する。BEAゼオライト型触媒を基にした原子スケールのCNTnetsモデルをアップスケーリングし、溶融積層成形（FDM）を用いて3Dプリントした。これにより、スケールに依存しない機械的挙動が実証され、高い圧縮強度と破壊に対する耐性を示した。これは、超軽量の航空宇宙および自動車部品への応用可能性を示している。

ABSTRACT

Specific strength (strength/density) is a crucial factor while designing high load bearing architecture in areas of aerospace and defence. Strength of the material can be enhanced by blending with high strength component or, by compositing with high strength fillers but both the options has limitations such as at certain load, materials fail due to poor filler and matrix interactions. Therefore, researchers are interested in enhancing strength of materials by playing with topology/geometry and therefore nature is best option to mimic for structures whereas, complexity limits nature mimicked structures. In this paper, we have explored Zeolite-inspired structures for load bearing capacity. Zeolite-inspired structure were obtained from molecular dynamics simulation and then fabricated via Fused deposition Modeling. The atomic scale complex topology from simulation is experimentally synthesized using 3D printing. Compressibility of as-fabricated structures was tested in different direction and compared with simulation results. Such complex architecture can be used for ultralight aerospace and automotive parts.

研究の動機と目的

• ゼオライト型触媒を用いたカーボンナノチューブネットワーク（CNTnets）を用いた、超軽量で高強度な荷重-bearing 構造体のトポロジー駆動型設計戦略の開発。
• 計算モデリングと実験的検証を通じて、CNTnetsの原子スケールの機械的挙動とマクロスケールの3Dプリント構造体との橋渡し。
• 穴の密度および層積層方向が3DプリントされたCNTnet構造体の圧縮機械的応答に与える影響の調査。
• 原子スケールのシミュレーションからマクロスケールの3Dプリントプロトタイプへの機械的特性のスケーラビリティの検証。
• ゼオライト型触媒を用いた複雑で加工可能かつ高性能な多孔質構造をエンジニアリング用途に応用可能かどうかの可能性の探求。

提案手法

• 周期的境界条件と分子動力学（MD）シミュレーションを用いて、BEAゼオライトフレームワークに基づく原子スケールのCNTnetsモデルを生成した。
• 計算モデリング技術を用いて、原子スケールのCNTnet構造体をマクロスケールの3Dプリント可能な幾何形状にアップスケーリングした。
• 溶融積層成形（FDM）を用いて、ポリラクティック酸（PLA）をベースとしたマクロスケールのCNTnet構造体を、穴の密度（低、中、高）を変えて製造した。
• 圧縮強度と破壊モードに注目した、3Dプリント試料に対する実験的単軸圧縮試験を通じた機械的特性評価。
• 元の原子スケールモデルを用いた完全な原子スケールの分子動力学（MD）シミュレーションを実施し、実験結果と比較して機械的挙動を予測した。
• 圧縮応力下での構造的応答をx方向およびz方向で分析し、ナノチューブの曲げや接合部の応力集中といった破壊メカニズムを同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゼオライト型触媒を用いたCNTnetアーキテクチャは、FDMを用いて効果的にアップスケーリングされ、3Dプリント可能であり、その固有の機械的特性が保持されるか？
• RQ2 3DプリントされたCNTnet構造体の穴の密度が、その圧縮強度および変形挙動に与える影響は何か？
• RQ3 単軸圧縮下における3DプリントCNTnet構造体の主な破壊メカニズムは何か。また、荷重方向に応じてそのメカニズムはどのように変化するか？
• RQ4 原子スケールのCNTnetsの機械的挙動が、マクロスケールの3Dプリントバージョンに移行する際に、どの程度スケールに依存しないか？
• RQ5 層積層方向と構造的トポロジーが、3DプリントCNTnetアーキテクチャにおける荷重分布および構造的安定性に与える影響は何か？

主な発見

• 3DプリントされたCNTnet構造体は、高い圧縮強度と構造的破壊に対する耐性を示し、特に中密度構造（構造2）で最高の強度が観察された。
• 実験的圧縮試験の結果、中密度CNTnet（構造2）は約1.8 MPaの圧縮強度を達成し、低密度（構造1）および高密度（構造3）の変種よりも顕著に高い強度を示した。
• 分子動力学シミュレーションの結果、x方向（ナノチューブに垂直）への圧縮ではナノチューブの転がりとずれが支配的であったが、z方向（ナノチューブに平行）への圧縮ではナノチューブの曲げが主な破壊モードであった。
• ネットワーク内の接合点数が機械的挙動に強く影響した：高密度接合（構造2）ではナノチューブの可動性が制限され、応力集中が生じやすく早期に破壊した。一方、低密度接合（構造1）ではスライドや転がりによるエネルギー散逸が可能で、破壊が遅延した。
• ベータゼオライトを基にしたCNTnet（構造3）は、高剛性な、インターセプトされたネットワーク構造を示し、変形モードが限られていたため、圧縮時に全体的な構造的崩壊を示した。
• 原子スケールのMDシミュレーションと3Dプリントマクロスケール構造からの実験結果との間に強い定性的な一致が観察され、変形パターンや破壊メカニズムといった主要な機械的挙動がスケールに依存しないことを確認した。