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Meta Crystals使材料更加堅固和輕盈

2019-04-04 10:02:33 編輯: 來源:
導(dǎo)讀 一群英國研究人員通過模仿強金屬合金中更不規(guī)則的微尺度晶體結(jié)構(gòu),找到了一種方法來制造更耐受損傷的結(jié)構(gòu)材料。一群英國研究人員通過模仿強

一群英國研究人員通過模仿強金屬合金中更不規(guī)則的微尺度晶體結(jié)構(gòu),找到了一種方法來制造更耐受損傷的結(jié)構(gòu)材料。一群英國研究人員通過模仿強金屬合金中更不規(guī)則的微尺度晶體結(jié)構(gòu),找到了一種方法來制造更耐受損傷的結(jié)構(gòu)材料。這一突破可能讓位于具有全新特性的材料,例如更高的強度,更輕的重量以及抵抗材料應(yīng)力損壞的能力。

在材料科學(xué)中,以建筑材料的形式模仿自然通??梢援a(chǎn)生更好的結(jié)果,例如更高的強度和更輕的重量。典型的建筑材料由“單元格”構(gòu)成,這些單元格的排列使得它們都具有相同的方向,如具有重復(fù)節(jié)點和支柱的網(wǎng)格(類似于金屬單晶的排列:格子中的節(jié)點等同于原子在單晶中,支柱相當(dāng)于原子鍵)。

雖然這種類型的單晶材料非常適合高溫應(yīng)用,但它對抗機械應(yīng)力并不是那么好。當(dāng)材料過載時,可能出現(xiàn)局部的高應(yīng)力帶(“剪切帶”),導(dǎo)致材料以裂縫的形式發(fā)生高度局部變形,最終導(dǎo)致坍塌。

該團隊的研究報告“受水晶微觀結(jié)構(gòu)啟發(fā)的耐受損傷的建筑材料”發(fā)表在2019年1月7日的“自然”雜志上。

模仿金屬的晶體微結(jié)構(gòu)

金屬合金的晶格是獨特的結(jié)構(gòu)。在原子水平上,它們由相同類型和方向的單元格組成,但是位于許多域中,每個域都包含與附近域的方向不同的晶格取向(與單晶布置不同)。來自倫敦帝國理工學(xué)院材料系和謝菲爾德大學(xué)的材料研究人員通過構(gòu)建一個格子單元格來找到一種模擬金屬和合金晶體微觀結(jié)構(gòu)的方法,該格子單元格由一個由支柱連接的有序節(jié)點排列組成。

使用計算機輔助設(shè)計包,團隊隨后能夠3D打印“偏晶”材料,使樣品比典型材料更耐開裂和彎曲,但也更堅固,更輕。該團隊發(fā)現(xiàn),通過減小結(jié)構(gòu)內(nèi)每個顆粒狀晶格區(qū)域的尺寸,它可以增加元晶的強度。這些材料也可以以特定的預(yù)定結(jié)構(gòu)路徑引導(dǎo)損壞的方式產(chǎn)生,以最小化和停止損壞。

“我們的目標(biāo)是獲得高強度和輕質(zhì)材料,并能夠以理想的方式控制損傷,甚至直接損壞我們想要的特定位置,然后通過某些機械機制來阻止損壞,”Minh博士說。倫敦帝國理工學(xué)院材料系助理教授Son Pham告訴設(shè)計新聞。

該技術(shù)可用于制造具有所需特性的多功能材料的零件和部件,例如,可以在不犧牲安全性的情況下減輕重量并提高車輛的燃料效率,或者消除應(yīng)力遮擋問題的矯形裝置更好地重新加熱骨骼。其他應(yīng)用可能包括人造臀部,運動頭盔,車輛中更好的防撞區(qū),航空發(fā)動機或渦輪葉片中的風(fēng)扇葉片。

Crystal Lattice Architecture多次強化材料

為了研究的目的,該團隊使用熔融沉積模型,還原聚合和粉末床融合創(chuàng)建樣品。迄今為止,研究人員已經(jīng)印刷了三種類型的聚合物,以及包括316L鋼和Ti6Al4V在內(nèi)的金屬。原則上,印刷的格子可以用各種材料制成,包括鎢,鎳合金甚至生物材料?;旧?,如果它是可印刷的,可以在其上使用晶格方法來多次增加建筑材料的強度。Pham博士告訴設(shè)計新聞,這不僅是關(guān)于增加強度,而且還通過調(diào)整晶格方向來控制對零件的任何損壞。

“”順序“(格子)因域而異;但是在域內(nèi),晶格取向是均勻的,或者是多晶取向的。我們正在開發(fā)一個計算平臺,以實現(xiàn)多向晶格的最佳強度,“Pham博士說。

目前,該技術(shù)是一種創(chuàng)造復(fù)雜和定制組件的有前途的方法,這些組件不需要大量生產(chǎn),但具有高附加值,例如醫(yī)療設(shè)備或飛機的昂貴部件。該團隊還認(rèn)為,創(chuàng)建結(jié)晶金屬合金的新方法將導(dǎo)致新的實驗和計算研究,以提高對通過改變元晶的內(nèi)在微觀結(jié)構(gòu)和設(shè)計的介觀結(jié)構(gòu)所提供的可能性的理解。

“這種方法將提供一種獨特的方式來實現(xiàn)3D打印的全部潛力,”Pham博士說。

展望未來,研究人員希望利用這項技術(shù)開發(fā)出一種輕質(zhì),機械堅固且智能的新型材料。

Tracey Schelmetic畢業(yè)于康涅狄格州費爾菲爾德的費爾菲爾德大學(xué),并開始在Appleton&Lange擔(dān)任技術(shù)和科學(xué)作家兼編輯。后來,作為電信行業(yè)期刊Customer Interaction Solutions(今日的客戶雜志)的編輯總監(jiān),她成為了聯(lián)絡(luò)中心行業(yè)公認(rèn)的代言人。如今,她是一名自由撰稿人,專門從事制造業(yè),技術(shù),電信和企業(yè)軟件。


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