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3D打印技术 材料结构新创意=新型高性能材料

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威斯康星大学麦迪逊分校的一位工程物理学教授创造出了一种新型材料,这种新材料的表现方式与工程师用于设计建筑物,飞机,桥梁和电子设备等设计时所采用的标准理论表现方式不同。

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图片来源:威斯康星大学麦迪逊分校的Roderic Lakes

如图所示:重复十字交叉结构的格子设计。根据UW-Madison工程研究人员的说法,如图所示的材料聚合物条的排列方式可以增加其强度和耐久性。这是一项技术的进步,对于那些需要高韧性材料的领域,其打开了设计新型材料的大门。举个例子,这项技术可能用于制造出抗断裂能力更强的飞机机翼。

经典的弹性理论适用于预测大多数普通材料(例如钢,铝和混凝土)的行为,并确保其结构能承受住机械力的同时又不会发生太大变形或者遭到太多破坏。但对于其他类型的材料,这种经典弹性理论解释是有限的。Roderic Lakes和研究生Zachariah Rueger使用3D打印技术制作新的聚合物晶格材料。他们的设计:材料聚合物条排列的模式,是重复的十字交叉结构。当它扭曲或弯曲时,这种聚合物晶格条的硬度比经典弹性理论所预期的硬度要高30倍。

威斯康星大学的研究人员于2018年2月8日将关于这一新晶格材料的科研成果发表在了“Physical Review Letters”杂志中。在实验室进行测量时,Roderic Lakes确定材料的行为与Cosserat弹性理论一致,Cosserat弹性理论是一个更具描述性的弹性理论,它考虑到了材料中底层结构的大小。
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“如果你有一种具有底层结构的材料,比如一些泡沫,格子和纤维增强材料,通常它们比经典弹性理论能够处理的自由度更大。” Roderic Lakes说。“所以我们正在研究材料的自由行为,而不是仅仅关注依靠于标准理论所推导出的行为方式。”这种增加的自由度为科研人员开发出对应力集中不敏感的新材料提供了潜在途径;换句话说,这种韧性改善的材料可用于各种应用,其中就包括使飞机机翼更能抵抗裂纹。

如果飞机机翼出现裂缝,则应力集中在裂缝周围,使机翼变得十分脆弱。我们需要一定的压力来打破某些东西。不过对于我们研发的这种新型材料,如果它有裂缝,我们可以用较小的压力来打破它。” Roderic Lakes说。

根据Roderic Lakes的数据显示,使用Cosserat弹性理论来指导材料的设计,将有助于生产出更加强硬的材料,且应力能够均匀分布在整个材料中。这些类似的效果存在于骨头和某些类型的泡沫等材料中。然而,当工程师为座垫制造泡沫时,他们对泡沫的底层结构(泡沫内部形成和组成泡孔的微小气泡)没有太多的控制。因此,他们的这一工作达不到Cosserat弹性理论的效果。

与泡沫形成鲜明对比的是,威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员可以在其晶格材料中调整Cosserat效应并使这种效应得到充分彰显。“我们开发了一种材料,我们对格子的精细结构进行了非常详细的控制,这使我们能够在弯曲和扭转材料时获得非常强大的效果。” Roderic Lakes说。


来源 : 材料科技在线
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