Titāna bāzes metamateriāla atbloķē spēku ārpus dabas.

Novatorisks titāna metamateriāls ar nepārspējamu izturību un daudzpusību varētu mainīt ražošanu un ātrgaitas aviāciju.

Ir izstrādāts viegls, augstas izturības titāna materiāls, kas varētu izraisīt spēcīgākas medicīnas ierīces un novatoriskas transportlīdzekļu un kosmosa kuģu dizainu. Pētniecības komanda izmantoja parasto titāna sakausējumu ti -6 al -4 v, lai izveidotu "metamateriālu" - terminu, ko izmanto, lai aprakstītu mākslīgu materiālu, kuram ir unikālas īpašības, kas dabā nav novērotas - meta nozīmē " aiz "grieķu valodā.

Daudzas šādas sarežģītas un pārsteidzoši spēcīgas struktūras pastāv dabā, piemēram, Viktorijas ūdens lilijai. Dienvidamerikas dzimtene, šī gigantiskā peldošā lapa ir pietiekami spēcīga, lai atbalstītu pieaugušo, pateicoties tās vēnu unikālajai režģa struktūrai.

Cilvēku izgatavotu materiālu struktūras var izveidot, lai atdarinātu šos augus un citus dabiskus porainus materiālus, piemēram, koraļļus, ar dažādiem režģiem, sākot no vienkāršiem kubiem līdz sarežģītiem dodekaedriem. Poras šajās režģa struktūrās savstarpēji savienojas, veidojot kanālus. Saskaņā ar RMIT pētniekiem, kas pazīstami kā "šūnu" materiāli, šie režģa materiāli bieži ir ar spēka kompromisu, ja tie nav pareizi izstrādāti.

"Tomēr metāla 3D drukāšana ir spēles mainītājs, ļaujot pētniekiem projektēt un izgatavot ļoti novatoriskas gaismas un spēcīgus šūnu metālus," sacīja Ph.D. Jordāns Noronha. Kandidāts, kurš strādāja pie projekta RMIT.

Šūnu materiālos režģi trīs izmēros ir savienoti ar plāniem, cietiem stieņiem vai sijām, ko sauc par statņiem. Tā vietā, izmantojot dobus statņus, pētnieku mērķis bija padarīt zema blīvuma šūnu materiālu tikpat spēcīgu kā ciets metāla sakausējums ar līdzīgu blīvumu kā augstas stiprības magnija sakausējumi.

Metamateriāla drukāšana

Pētniecības grupa, kuru vadīja RMIT piedevu ražošanas centra profesors Ma Qian, izmantoja 3D drukas procesu ar nosaukumu "lāzera pulvera gultnes saplūšana", lai izgatavotu titāna metamateriālus. Šis paņēmiens, kas konstruē materiāla slāni pa slāni, izmantojot lieljaudas lāzera staru, parasti izmanto, lai sagatavotu sarežģītas ražošanas detaļas no mazāk nekā milimetra līdz gandrīz divu metru lielumam.

Kians paskaidroja savas komandas pieeju. "Pirmkārt, viss režģa metamateriālais paraugs ir veidots kā digitāls modelis. Tad šis modelis tiek digitāli sagriezts daudzos plānos slāņos, izmantojot programmatūras rīku."

"Šis uz slāņa balstīts ražošanas process ietver metāla pulveru lāzera kausēšanu, šķidrā metāla (izkusušo metāla pulveru) ātru sacietēšanu un sacietētā metāla atkārtotus sildīšanas un dzesēšanas procesus," viņš izstrādāja.

Qian saka, ka viss process šobrīd prasa apmēram 18 stundas, bet optimizācijas laikā viņš un viņa komanda plāno saīsināt laika posmu nākotnē.

Kas padara materiālu tik spēcīgu?

Dobi statņi un plānas plāksnes ir divas topoloģijas, kas atbild par metamateriāla augsto izturību. Atšķirībā no vairuma šūnu materiālu, kas satur vājus punktus, kur stress koncentrē, šie divi papildinošie režģi vienmērīgi sadala stresu, vienlaikus nodrošinot atbalstu.

"Ideālā gadījumā stress visos šūnu materiālos būtu vienmērīgi jāizplata," skaidroja Qian. "Tomēr lielākajai daļai topoloģiju ir ierasts, ka mazāk nekā puse no materiāla galvenokārt nes spiedes slodzi, savukārt lielāks materiāla tilpums ir strukturāli nenozīmīgs."

"Šis vairāku toņu dizains arī veicina plaisas ceļu novirzi, lai uzlabotu izturību," viņš piebilda. "Plaisu vietā, kas rodas tieši caur režģi, kas rodas lielākajā daļā šūnu materiālu, mūsu plānas plāksnes dobu straumju režģa topoloģijā statņi un plāksnes darbojas kopā, lai novirzītu plaisas gar garāku ceļu."

Magnija sakausējumi pašlaik tiek izmantoti komerciālos lietojumos, kuriem nepieciešama liela izturība un viegls. Salīdzinot ar spēcīgāko pieejamo magnija sakausējumu (WE54), titāna metamateriāla paraugs ar salīdzināmu blīvumu ir daudz spēcīgāks. Magnija sakausējumi nav arī piemēroti lāzera pulvera gultnes saplūšanai vai 3D drukāšanai pulvera iztvaikošanas dēļ, piešķirot titāna sakausējumam ražošanas priekšrocības.

Nākamās darbības un iespējamās lietojumprogrammas

Pirms materiāla komercializācijas Qian un viņa komanda vispirms vēlas pārliecināties, ka materiāls darbojas ar maksimālu efektivitāti.

Lai to izdarītu, viņi plāno uzlabot savu pašreizējo dizainu, lai vēl vairāk stiprinātu un atvieglotu titāna metamateriālus. Piemēram, pamatojoties uz skaitliskām simulācijām, tie pielāgos plānu plāksņu proporciju uz dobiem statņiem, lai visā struktūrā varētu būt vienmērīgāks sprieguma sadalījums.

Pēc pētnieku domām, ja metamaterial ir izgatavots no augstas temperatūras titāna sakausējuma, to var izmantot temperatūrā līdz 600 grādiem. Šī īpašība kopā ar tās izturību pret koroziju padara materiālu piemērotu lietošanai ātrgaitas lidojošās lidmašīnās vai raķetēs, kurai jāspēj izturēt intensīvo siltumu, ko rada to lielais ātrums. Titāna droni, ko izmanto, lai rūpīgi uzraudzītu vai apkarotu ugunsgrēkus, arī gūtu labumu no metamateriāla vieglā svara, izturības un karstuma izturības.

Tā kā metamateriāli ir arī bioloģiski savietojami, to varētu izmantot arī tādās medicīnas ierīcēs kā kaulu implanti. Tomēr šī tehnoloģija šajā posmā vēl nav plaši pieejama, tāpēc tās ieviešana rūpniecībā var aizņemt kādu laiku. "Mūsu vissvarīgākais ierobežojums ir mūsu tehnoloģijas ekskluzivitāte, un izgatavošanas izmaksas varētu būt vēl viena svarīga problēma," sacīja Qian.

"Tradicionālie ražošanas procesi nav praktiski šo sarežģīto metolateriālu izgatavošanai, un ne visiem ir lāzera pulvera gultnes saplūšanas mašīna noliktavā," viņš piebilda. "Tomēr, attīstoties tehnoloģijai, tā kļūs pieejamāka, ļaujot lielākai auditorijai savās komponentos ieviest mūsu augstas stiprības daudzstoloģijas metamateriālus."