Метаматеріал на основі титану розблокує силу за межі природи.
Новобрика метаматеріалів титану з неперевершеною силою та універсальністю може революціонізувати виробництво та високошвидкісну авіацію.
Проектний легкий, високоміцний титановий матеріал, який може призвести до більш сильних медичних пристроїв та інноваційних конструкцій транспортних засобів та космічних кораблів. Дослідницька група використовувала загальний титановий сплав, ti -6 al -4 v, для побудови "метаматеріалів", термін, що використовується для опису штучного матеріалу, який має унікальні властивості, які не спостерігаються в природі - мета -означає " за межами "грецькою мовою.
У природі існує багато таких хитромудрих і напрочуд сильних структур, як у Лілії Вікторії. Уродженець Південної Америки, цей гігантський плаваючий лист досить сильний, щоб підтримати дорослого завдяки унікальній структурі решітки.
Структури рукотворних матеріалів можуть бути розроблені для імітації цих рослин та інших природних пористих матеріалів, таких як корал, з різними решітками, що варіюються від простих кубів до складних додеки. Пори в цих ґратних структурах взаємозв’язаються, утворюючи канали. Ці матеріали, відомі як "клітинні" матеріали, часто поставляються зі міцним компромісом, якщо не розроблені належним чином, на думку дослідників RMIT.
"Однак металевий 3D -друк - це зміна ігор, що дозволяє дослідникам розробляти та виготовляти дуже інноваційні світлові та сильні стільникові метали", - сказав Джордан Норонха, доктор наук. Кандидат, який працював над проектом у RMIT.
У клітинних матеріалах решітки з'єднані в трьох вимірах тонкими твердими стрижнями або балками, що називаються підколами. Використовуючи замість порожнистих підпису, дослідники мали на меті зробити клітинний матеріал низької щільності настільки ж сильним, як твердий металевий сплав з аналогічною щільністю до високоміцних магнських сплавів.
Друк метаматеріалу
Дослідницька група на чолі з Ма -Цяном, професором Центру виробництва добавок RMIT, використовувала процес 3D -друку під назвою "Лазерне порошкове синтез" для виготовлення титанових метаматеріалів. Ця методика, яка будує шар матеріалу за шаром за допомогою потужного лазерного променя, зазвичай використовується для приготування складних виробничих деталей з менше міліметра до майже двох метрів.
Qian пояснив підхід своєї команди. "По -перше, весь зразок метаматерії решітки розроблений як цифрова модель. Тоді ця модель цифрово нарізається на багато тонких шарів за допомогою програмного інструменту."
"Цей процес виготовлення на основі шару включає лазерне плавлення металевих порошків, швидке затвердіння рідкого металу (розплавлені металеві порошки) та повторні процеси нагрівання та охолодження твердого металу",-детально розробив він.
Qian каже, що весь процес зараз займає близько 18 годин, але завдяки оптимізації він та його команда планують скоротити часові рамки в майбутньому.
Що робить матеріал таким сильним?
Порожні підкоси та тонкі пластини - це дві топології, відповідальні за високу міцність метаматеріалу. На відміну від більшості клітинних матеріалів, які містять слабкі точки, де стрес концентрується, ці дві додаткові решітки рівномірно розподіляють стрес, забезпечуючи підтримку.
"В ідеалі стрес у всіх клітинних матеріалах слід рівномірно поширювати", - пояснив Цян. "Однак для більшості топологій це часто є менш ніж половиною матеріалу, щоб в основному нести стислий навантаження, тоді як більший об'єм матеріалу структурно незначний".
"Ця мультимотологічна конструкція також сприяє відхиленню доріжок тріщин для підвищення міцності",-додав він. "Замість тріщин, що відбуваються безпосередньо через решітку, які зустрічаються в більшості клітинних матеріалів, у нашій топології з тонкою плитою порожнистої речовини, підкоси та пластини працюють разом, щоб відволікати тріщини по довшому шляху".
Наразі магнію сплави використовуються в комерційних додатках, які потребують високої міцності та легкої ваги. Порівняно з найсильнішим наявним сплавом магнію (WE54), зразок метаматеріалу титану з порівнянною щільністю набагато сильніший. Сплави магнію також не піддаються синтезу лазерного порошку або 3D -друку внаслідок випаровування порошку, надаючи титановому сплаві виробничу перевагу.
Наступні кроки та потенційні програми
Перед тим, як матеріал буде комерціалізований, Цян та його команда спочатку хочуть забезпечити, щоб матеріал працював з його максимальною ефективністю.
Для цього вони планують покращити свою сучасну конструкцію, щоб ще більше зміцнити та полегшити свої титанові метаматеріали. Наприклад, виходячи з чисельних моделювання, вони відрегулюють частку тонких пластин до порожнистих підпису, щоб дозволити більш рівномірний розподіл напруги по всій структурі.
На думку дослідників, якщо метаматеріал виготовлений з високотемпературного титанового сплаву, його можна використовувати при температурі до 600 градусів. Ця функція, поряд із корозійною стійкістю, робить матеріал придатним для використання у високошвидкісних літаючих літаках або ракетах, які повинні мати можливість протистояти інтенсивному теплові, що утворюється їх високою швидкістю. Титанові безпілотники, що використовуються для тісного моніторингу або боротьби з пожежами, також отримають користь від легкої ваги, сили та теплостійкості метаматеріалу.
Оскільки метаматеріал також є біосумісним, він також може бути використаний у таких медичних пристроях, як кісткові імплантати. Однак на цьому етапі ця технологія ще не широко доступна, тому її прийняття галуззю може зайняти деякий час. "Нашим найважливішим обмеженням є ексклюзивність нашої технології, і вартість виготовлення може бути ще однією важливою проблемою", - заявив Цян.
"Традиційні виробничі процеси не є практичними для виготовлення цих хитромудрих метаматеріалів металів, і не кожен має на своєму складі машину для злиття лазерного порошку", - додав він. "Однак у міру розвитку технології вона стане більш доступною, що дозволить більшій аудиторії впроваджувати наші багатопотологічні метаматеріали у своїх компонентах".