Метаматериал на основе титана открывает силу за пределами природы.
Новаторский титановый метаматериал с непревзойденной силой и универсальностью может произвести революцию в производстве и высокоскоростной авиации.
Был разработан легкий высокопрочный титановый материал, который может привести к более прочным медицинским устройствам и инновационным конструкциям транспортных средств и космических кораблей. Исследовательская группа использовала общий титановый сплав, ti -6 al -4 V, чтобы построить «метаматериал», термин, используемый для описания искусственного материала, который обладает уникальными свойствами, не наблюдаемыми в природе - Meta означает » Помимо "на греческом.
Многие такие сложные и удивительно сильные структуры существуют в природе, как и у водной лилии Виктории. Уроженец Южной Америки, этот гигантский плавучий лист достаточно силен, чтобы поддержать взрослого из -за уникальной структуры решетки в его венах.
Структуры искусственных материалов могут быть разработаны, чтобы имитировать эти растения и другие природные пористые материалы, такие как коралл, с различными решетками, которые варьируются от простых кубиков до сложных додекаэдров. Поры в этих решетчатых структурах взаимосвязаны, образуя каналы. По словам исследователей RMIT, эти «клеточные» материалы, эти решетки часто поставляются с компромиссом прочности, если не разработаны должным образом.
«Тем не менее, металлическая 3D -печать меняет правила игры, позволяя исследователям разрабатывать и изготавливать очень инновационные легкие и сильные сотовые металлы», - сказал Джордан Норонха, доктор философии. Кандидат, который работал над проектом в RMIT.
В клеточных материалах решетки соединены в трех измерениях тонкими сплошными стержнями или балками, называемыми стойками. Вместо этого используя полые стойки, исследователи стремились сделать клеточный материал с низкой плотностью столь же сильным, как и твердый металлический сплав с одинаковой плотностью с сплавами высокой силой.
Печать метаматериала
Исследовательская группа, возглавляемая Ma Qian, профессором в центре аддитивного производства RMIT, использовала процесс 3D -печати под названием «Слияние лазерного порошка» для изготовления титановых метаматериалов. Этот метод, который строит слой материала за слоем с использованием мощного лазерного луча, обычно используется для приготовления сложных производственных деталей от менее миллиметра до почти двух метров размера.
Цянь объяснил подход своей команды. «Во -первых, весь образец метаматериала решетки разработан в качестве цифровой модели. Затем эта модель в цифровом виде нарезается на многие тонкие слои с использованием программного инструмента».
«Этот процесс изготовления на основе слоя включает лазерное плавление металлических порошков, быстрое затвердевание жидкого металла (расплавленные металлические порошки), а также повторяющиеся процессы нагрева и охлаждения затвердевшего металла»,-уточнил он.
Цянь говорит, что весь процесс в настоящее время занимает около 18 часов, но благодаря оптимизации он и его команда планируют сократить сроки в будущем.
Что делает материал таким сильным?
Полые стойки и тонкие пластины являются двумя топологиями, ответственными за высокую прочность метаматериала. В отличие от большинства клеточных материалов, которые содержат слабые точки, где напряжение концентрируется, эти два комплементарных решетки равномерно распределяют напряжение, обеспечивая поддержку.
«В идеале стресс во всех клеточных материалах должен быть равномерно распространяться», - объяснил Цянь. «Тем не менее, для большинства топологий, для менее половины материала является в основном нести сжавающую нагрузку, в то время как больший объем материала является структурно незначительным».
«Этот мультитологический дизайн также способствует отклонениям трещин для повышения прочности»,-добавил он. «Вместо трещин, происходящих непосредственно через решетку, которая встречается в большинстве клеточных материалов, в нашей топологии с полом с полом с тонкой пластиной, стойки и пластины работают вместе, чтобы отвлечь трещины по более длинному пути».
Магниевые сплавы в настоящее время используются в коммерческих применениях, которые требуют высокой прочности и легкого веса. По сравнению с самым сильным лисовым сплавом магния (WE54), образец титанового метаматериала с сопоставимой плотностью намного сильнее. Магниевые сплавы также не поддаются слиянию лазерного порошка или 3D -печати из -за испарения порошка, что дает титановому сплаву преимущество в производстве.
Следующие шаги и потенциальные приложения
Прежде чем материал будет коммерциализироваться, Цянь и его команда впервые захотят обеспечить, чтобы материал был выполнен с максимальной эффективностью.
Для этого они планируют улучшить свой текущий дизайн, чтобы еще больше укрепить и осветлить свои титановые метаматериалы. Например, на основе численного моделирования они будут регулировать долю тонких пластин в полые стойки, чтобы обеспечить более равномерное распределение напряжений по всей структуре.
По мнению исследователей, если метаматериал изготовлен из высокотемпературного сплава титана, его можно использовать при температуре до 600 градусов. Эта функция, наряду с его коррозионной стойкостью, делает материал подходящим для использования в высокоскоростных летательных самолетах или ракетах, который должен быть в состоянии противостоять интенсивному теплу, генерируемому их высокими скоростями. Титановые беспилотники, используемые для тщательного мониторинга или борьбы с лесными пожарами, также получат пользу от легкого веса, прочности и теплостойкости метаматериала.
Поскольку метаматериал также является биосовместимым, он также может использоваться в медицинских устройствах, таких как костные имплантаты. Тем не менее, технология еще не широко доступна на этом этапе, поэтому ее принятие промышленностью может занять некоторое время. «Нашим наиболее важным ограничением является эксклюзивность нашей технологии, и стоимость изготовления может быть еще одной важной проблемой», - заявил Цянь.
«Традиционные производственные процессы не являются практичными для изготовления этих сложных металлических метаматериалов, и не у всех есть лазерная порошковая машина для слияния кровати на своем складе», - добавил он. «Однако по мере развития технологии она станет более доступной, что позволит более крупной аудитории реализовать наши высокопрочные мультитологические метаматериалы в своих компонентах».
