微晶格金属

金属微晶格是由超轻金属泡沫组成的合成多孔金属材料。 它的密度低至 0.99 mg/cm3（0.00561 lb/ft3），是科学界已知的最轻的结构材料之一。 它由加州 HRL 实验室的一组科学家与加州大学欧文分校和加州理工学院的研究人员合作开发，并于 2011 年 11 月首次公布。原型样品由镍磷合金制成。 2012 年，微晶格原型被 Popular Mechanics 宣布为 10 项改变世界的创新之一。 微晶格金属技术在汽车和航空工程中具有众多潜在应用。 对其他类型的金属晶格结构进行的详细比较研究表明，它们有利于轻量化，但制造成本高。

为了生产他们的金属微晶格，HRL/UCI/Caltech 团队首先使用基于自传播波导形成的技术制备了聚合物模板，尽管有人指出可以使用其他方法来制造模板。 该过程使紫外线穿过穿孔掩模进入紫外线固化树脂储层。 当树脂在掩模的每个孔下方固化时，会发生类似光纤的光自陷，从而沿着光的路径形成细的聚合物纤维。 通过使用多束光束，多根纤维可以相互连接形成晶格。

该过程类似于光刻，因为它使用二维掩模来定义起始模板结构，但在形成速度上有所不同：立体光刻可能需要数小时才能制作出完整的结构，而自形成波导过程允许模板 在 10-100 秒内形成。 通过这种方式，该过程可以快速且可扩展地形成大型独立式 3D 晶格材料。 然后通过化学镀镍在模板上涂上一层薄薄的金属，模板被蚀刻掉，留下一个独立的、周期性的多孔金属结构。 在原始报告中，镍被用作微晶格金属。 由于电沉积过程，7% 的材料由溶解的磷原子组成，并且不含沉淀物。

金属微晶格由互连的空心支柱网络组成。 在报道的密度最低的微晶格样本中，每个支柱的直径约为 100 微米，壁厚为 100 纳米。 完成的结构大约有 99.99% 的空气体积，按照惯例，在计算微晶格密度时空气质量被排除在外。 考虑到间隙空气的质量，该结构的真实密度约为 2.1 mg/cm3（2.1 kg/m3），仅是 25 °C 时空气本身密度的 1.76 倍。 该材料被描述为比聚苯乙烯泡沫塑料轻 100 倍。 微晶格也可以比普通聚合物强 100 倍。

微晶金属的特点是密度非常低，2011 年的记录是 0.9 毫克/立方厘米，是所有已知固体中最低的值之一。 此前 1.0 mg/cm3 的记录由二氧化硅气凝胶保持，据称气化石墨的密度为 0.2 mg/cm3。 在机械方面，这些微晶格在行为上类似于弹性体，并且在显着压缩后几乎完全恢复其形状。 这使它们比早期的气凝胶具有显着优势，气凝胶是易碎的玻璃状物质。 金属微晶格中的这种弹性特性进一步导致有效的减震。 它们的杨氏模量 E 表现出不同的比例，密度为 ρ，E ~ ρ2，而气凝胶和碳纳米管泡沫中的 E ~ ρ3。

微晶格金属可能在减震器等热绝缘体和振动绝缘体中找到潜在的应用，也可能被证明可用作电池电极和催化剂载体。 此外，微晶格在被压缩后恢复到原始状态的能力可能使它们适用于类似弹簧的储能设备。 汽车和航空制造商正在使用微晶格技术开发极其轻便和高效的结构，将结构加固和传热等多种功能结合到高性能车辆的单个组件中。

多伦多大学的研究人员于 2008 年创造了一种类似但密度更高的材料，由电沉积的纳米晶镍层组成，覆盖在聚合物快速原型桁架上。2012 年，德国研究人员创造了一种称为气化石墨的碳泡沫，其密度更低 密度高于金属微晶格。 2013年，中国科学家开发出一种碳基气凝胶，据称其重量更轻。

像管基纳米结构这样的纳米晶格在较小尺度上是相似的结构。