Development and characterization of multifunctional hybrid structures based on cellular metals

Abstract

The interest in cellular materials has significantly increased in the last two decades, reflecting the growing demand for lightweight and multifunctional structures The high stiffness-to-weight ratio and acoustic and thermal insulation features, make cellular materials attractive for many engineering applications such as civil, automotive, aerospace, amongst others. Open-cell metal foams (OCF) are one of the most promising functional materials characterized by high internal surface area, recyclability and non-flammability, however mechanically weaker. Researchers perceived this topic as an opportunity to explore these materials by reinforcing them with polymers in order to improve their performance. However, the work developed in this field is still scarce and mainly focused on filling the voids of OCF with dense polymers and on its mechanical characterization. This work aims to fabricate novel hybrid structures by filling the voids of OCF with different polymers in order to obtain multifunctional hybrid structures, providing valuable alternatives for the materials that are available on the market. Several filling materials were selected, bacterial cellulose (BC) and polyurethanes (PUF) in the form of foams, agglomerated cork, and polydimethylsiloxane (PDMS) and epoxy (EP) as dense filling materials. Prior to its incorporation within the OCF, the polymeric based filling materials were reinforced with graphene-based materials (GBMs) namely graphene oxide (GO), reduced graphene oxide (rGO) or graphene nanoplatelets in order to improve mechanical, thermal and acoustic properties and impart flame retardant property. Overall, the incorporation of GBMs into the polymeric based matrices improved the mechanical properties of the foamed polymers but decreased the mechanical strength of the dense polymers due to voids created within the matrices. The addition of GBMs did not considerably increase the thermal conductivity of the resulting nanocomposites, which can be used advantageous for thermal insulation applications. However, the GBMs indorsed higher sound absorption coefficients. Given the variety of materials produced, their applications may be diversified. The hybrid structures consisting in OCF and denser materials (PDMS and EP) may find applications as structural components because they present high strength and energy absorption capacity. Hybrid structures consisting in OCF and BC, PUF, and agglomerated cork nanocomposites, besides being lightweight solutions, are good candidates for applications where acoustic and thermal insulating properties are required.

O interesse em materiais celulares aumentou significativamente nas últimas duas décadas, refletindo a crescente procura por estruturas leves e multifuncionais. A relação entre baixo peso e elevado desempenho mecânico, acústico e térmico, torna-os atrativos para aplicações em engenharia tais como civil, automóvel, aeroespacial, entre outras. As espumas metálicas de porosidade aberta (OCF) são materiais funcionais promissores caracterizados por baixo peso, elevada área superficial interna, reciclabilidade e inflamabilidade, no entanto são mecanicamente fracas. Os investigadores descobriram neste tópico uma oportunidade na exploração destes materiais, reforçando-os com polímeros de modo a melhorar o seu desempenho e diversificar a sua aplicação. No entanto, o trabalho desenvolvido neste campo ainda é escasso e focado principalmente no preenchimento dos poros das OCF com polímeros densos e na sua caracterização mecânica. O objetivo deste trabalho incidiu no fabrico de diversas espumas híbridas tendo como base o preenchimento de OCF com diversos nanocompósitos poliméricos de modo a obter materiais multifuncionais, de preferência leves, fornecendo alternativas promissoras aos materiais que já existem no mercado. Foram selecionados para o preenchimento, celulose bacteriana (BC) e poliuretana (PUF) na forma de espumas, cortiça aglomerada e polidimetilsiloxano (PDMS) e epóxido (EP) como materiais densos. Antes da incorporação na OCF, os materiais de preenchimento foram reforçados com materiais à base de grafeno (GBMs) nomeadamente óxido de grafeno (GO), óxido de grafeno reduzido (rGO) ou nanoplaquetas de grafeno (GNPs) de modo a melhorar as propriedades mecânicas, térmicas e acústicas e conferir a propriedade retardamento de chama. Globalmente, a adição de GBMs melhorou as propriedades mecânicas das espumas de BC e de PUF, mas diminuiu a resistência mecânica dos polímeros densos devido aos espaços vazios criados nas matrizes poliméricas. Adicionalmente, os GBMs utilizados não aumentaram consideravelmente a condutividade térmica, o que, para aplicações de isolamento pode ser uma mais valia. De referir a eficiência da presença dos GBMs como agentes de retardação de chama dos nanocompósitos. Dada a variedade de propriedades dos materiais produzidos, as suas aplicações poderão ser múltiplas. As estruturas híbridas constituídas por OCF e materiais mais densos (PDMS ou EP) poderão ter aplicações como componentes estruturais, pois apresentam elevada resistência e boa capacidade de absorção de energia. As espumas híbridas resultantes do preenchimento das OCF com espumas nanocompósitas de BC ou PUF ou ainda aglomerados de cortiça com boas propriedades de isolamento acústico e térmico leveza poderão encontrar aplicações onde estas propriedades são requeridas.