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2021-03-19 23:16 |
工程師們創(chuàng)造出新的超輕、抗壓強度高的韌性超材料
在本周發(fā)表在《先進材料》上的一項研究中，加州大學歐文分校和佐治亞理工學院的工程師們描述了一類新的機械超材料的產(chǎn)生，這種超材料可以消除變形以防止失效。他們的做法是轉而采用張拉整體，這是一種有百年歷史的設計原則，在這種原則下，孤立的剛性桿件被集成到一個靈活的系繩網(wǎng)中，以產(chǎn)生非常輕質(zhì)的自拉伸桁架結構。 =.m6FRsU
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從950納米直徑的構件開始，該團隊使用復雜的直接激光書寫技術來生成尺寸在10到20微米之間的基本單元。這些單元被構建成8個單元的超級單元，可以與其他單元組裝成一個連續(xù)的結構。然后，研究人員進行了計算建模和實驗室實驗，觀察到這些構筑物表現(xiàn)出獨特的均勻變形行為，沒有局部的過應力或使用不足。 g" t^r3
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研究小組表明，與最先進的晶格排列相比，新的超材料的變形能力增強了25倍，能量吸收也增加了一個數(shù)量級。 . PVLWW
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在與其他兩種最先進的納米級結構的比較中，UCI和佐治亞理工學院的研究人員（中）創(chuàng)建的時空晶格在變形能力上提高了25倍，在能量吸收上也有數(shù)量級的提高。 d5xxb _oE
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在開發(fā)行星著陸器的結構配置時，佐治亞理工學院的團隊發(fā)現(xiàn)，基于時空的飛行器可以承受其單個組件的嚴重變形或彎曲，而不會倒塌，這在其他結構中從未觀察到。 ;:#U 6?=t
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"這讓我們產(chǎn)生了創(chuàng)造利用同樣原理的超材料的想法，這使我們發(fā)現(xiàn)了有史以來第一個3D張力網(wǎng)格超材料，"佐治亞理工學院航空航天工程教授Rimoli解釋說。 'ND36jHcRD
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通過新型增材制造技術，基于微米級桁架和網(wǎng)格的極輕而堅固的傳統(tǒng)結構，因其在飛機、風力渦輪葉片和其他一系列應用中取代較重的固體物質(zhì)的潛力而引起工程師的濃厚興趣。雖然擁有許多理想的品質(zhì)，但這些先進的材料--就像任何承重結構一樣--如果過載，仍然容易造成災難性的破壞。 |i)lh_iN
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當受壓構件翹起時，桁架格子就會開始坍塌，因為那些處于緊張狀態(tài)的構件不能。通常情況下，這些部件在共同的節(jié)點上相互連接，這意味著一旦其中一個部件發(fā)生故障，損害就會迅速蔓延到整個結構中。 P!\ hnm)%4
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相比之下，張力結構的受壓構件形成閉合的環(huán)路，相互隔離，僅由受拉構件連接。因此，受壓構件的不穩(wěn)定性只能通過拉伸荷載路徑傳播，而拉伸荷載路徑--只要它們不破裂--就不會出現(xiàn)不穩(wěn)定性。向下推壓張力系統(tǒng)，整個結構就會均勻壓縮，防止局部破壞。 AF#_nK) @
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根據(jù)同時也是UCI機械和航空航天工程教授的Valdevit的說法，張拉整體元材料展示了前所未有的抗失效性、極端能量吸收、變形性和強度的組合，超過了所有其他類型的最先進的輕質(zhì)結構。"這項研究為設計卓越的工程系統(tǒng)提供了重要的基礎，從可重復使用的沖擊保護系統(tǒng)到自適應承重結構，"他說。
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