LEAP HI: Manufacturing USA: Energy Efficient Processing of Thermoset Polymers and Composites

LEAP HI:美国制造:热固性聚合物和复合材料的节能加工

基本信息

  • 批准号:
    1830635
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 63.9万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2018
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2018-08-15 至 2020-01-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

This Leading Engineering for America's Prosperity, Health, and Infrastructure (LEAP-HI) project promises to dramatically reduce the cost of manufacturing high-strength composite materials. Living systems achieve form and function in ways that have little resemblance to modern manufacturing: think digits of a hand, the veins of a leaf, or the seeds of a dandelion that disperse themselves in the wind. Using nature as a model, the research will develop a new technology for the processing of plastics and composites, critical elements in structures like aircraft, automobiles and wind turbine blades, where light weight and high-strength are required. Current manufacturing of these materials is costly, to the large amounts of energy required. Drawing inspiration from living systems, this fundamental research project will result in new plastic materials that require only small initial energy input to trigger the entire manufacturing process and dramatically reduce environmental impact. This new, more efficient method has significant potential to impact and dramatically improve U.S. economic competitiveness in the critical area of composites manufacturing. This award will enable highly collaborative, interdisciplinary research to develop a new manufacturing platform for structural polymers and composites based on an autocatalytic (self-propagating) polymerization reaction occurring in a system undergoing reaction and diffusion of its components. The system uses the exothermic release of energy to provide a positive feedback to the reaction. In turn, this stimulates further exothermic energy release, and a self-propagating reaction front that rapidly moves through the material ? a process called frontal polymerization. Once triggered, the reaction progresses with zero-energy input. The self-sustained propagation of a reaction wave through the material gives rise to entirely new ways of manufacturing high performance composites using rapid, energy efficient methods at greatly reduced costs, including 3D printing of thermosetting polymers and composites. Controlling the reaction wave by simple thermal perturbations gives rise to symmetry breaking events that can enable complex, emergent (morphogenic) pattern formation. Moreover, our biologically inspired concepts for manufacturing provide an ideal platform to inspire and educate the next generation of entrepreneurs, students, postdoctoral researchers, as well as the general public.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
这个“美国繁荣、健康和基础设施领先工程”(LEAP-HI)项目有望大幅降低高强度复合材料的制造成本。 生命系统实现形式和功能的方式与现代制造业几乎没有相似之处:想想手的手指,叶子的静脉,或者在风中传播的种子。该研究将以自然为模型,开发一种新的塑料和复合材料加工技术,这些材料是飞机、汽车和风力涡轮机叶片等结构中的关键元件,需要重量轻、强度高。目前这些材料的制造成本很高,需要大量的能量。从生命系统中汲取灵感,这个基础研究项目将产生新的塑料材料,只需要很小的初始能量输入来触发整个制造过程,并大大减少对环境的影响。这种新的,更有效的方法具有重大的潜力,影响和显着提高美国在复合材料制造的关键领域的经济竞争力。 该奖项将使高度协作的跨学科研究能够开发一种新的结构聚合物和复合材料制造平台,该平台基于在经历其组分反应和扩散的系统中发生的自催化(自蔓延)聚合反应。该系统利用能量的放热释放为反应提供正反馈。反过来,这刺激进一步的放热能量释放,和自蔓延的反应前沿,迅速通过材料移动?这一过程被称为前沿聚合。 一旦触发,反应以零能量输入进行。反应波在材料中的自我维持传播产生了一种全新的方法,可以使用快速,节能的方法以大大降低的成本制造高性能复合材料,包括热固性聚合物和复合材料的3D打印。通过简单的热扰动来控制反应波会引起对称性破缺事件,从而形成复杂的紧急(形态发生)图案。 此外,我们的生物灵感制造概念提供了一个理想的平台,以激励和教育下一代的企业家,学生,博士后研究人员,以及一般公众。这个奖项反映了NSF的法定使命,并已被认为是值得支持的评估使用基金会的智力价值和更广泛的影响审查标准。

项目成果

期刊论文数量(7)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Frontal vs. bulk polymerization of fiber-reinforced polymer-matrix composites
  • DOI:
    10.1016/j.compscitech.2020.108303
  • 发表时间:
    2020-09
  • 期刊:
  • 影响因子:
    9.1
  • 作者:
    S. Vyas;Xiang Zhang;E. Goli;P. Geubelle
  • 通讯作者:
    S. Vyas;Xiang Zhang;E. Goli;P. Geubelle
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  • 作者:
    S. Vyas;E. Goli;Xiang Zhang;P. Geubelle
  • 通讯作者:
    S. Vyas;E. Goli;Xiang Zhang;P. Geubelle
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  • DOI:
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  • 发表时间:
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  • 期刊:
  • 影响因子:
    13.1
  • 作者:
    Goli, E.;Peterson, S. R.;Geubelle, P. H.
  • 通讯作者:
    Geubelle, P. H.
Impact of Boundary Heat Losses on Frontal Polymerization
  • DOI:
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  • 发表时间:
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  • 期刊:
  • 影响因子:
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  • 作者:
    Goli, E.;Gai, T.;Geubelle, P. H.
  • 通讯作者:
    Geubelle, P. H.
Rapid frontal polymerization achieved with thermally conductive metal strips
  • DOI:
    10.1063/5.0052821
  • 发表时间:
    2021-07-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.9
  • 作者:
    Gao, Yuan;Shaon, Fahima;Geubelle, Philippe H.
  • 通讯作者:
    Geubelle, Philippe H.
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知道了