3D打印技術(shù) 材料結(jié)構(gòu)新創(chuàng)意=新型高性能材料

威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的一位工程物理學(xué)教授創(chuàng)造出了一種新型材料，這種新材料的表現(xiàn)方式與工程師用于設(shè)計(jì)建筑物，飛機(jī)，橋梁和電子設(shè)備等設(shè)計(jì)時(shí)所采用的標(biāo)準(zhǔn)理論表現(xiàn)方式不同。

圖片來源：威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的Roderic Lakes

如圖所示：重復(fù)十字交叉結(jié)構(gòu)的格子設(shè)計(jì)。根據(jù)UW-Madison工程研究人員的說法，如圖所示的材料聚合物條的排列方式可以增加其強(qiáng)度和耐久性。這是一項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)步，對于那些需要高韌性材料的領(lǐng)域，其打開了設(shè)計(jì)新型材料的大門。舉個(gè)例子，這項(xiàng)技術(shù)可能用于制造出抗斷裂能力更強(qiáng)的飛機(jī)機(jī)翼。

經(jīng)典的彈性理論適用于預(yù)測大多數(shù)普通材料（例如鋼，鋁和混凝土）的行為，并確保其結(jié)構(gòu)能承受住機(jī)械力的同時(shí)又不會(huì)發(fā)生太大變形或者遭到太多破壞。但對于其他類型的材料，這種經(jīng)典彈性理論解釋是有限的。Roderic Lakes和研究生Zachariah Rueger使用3D打印技術(shù)制作新的聚合物晶格材料。他們的設(shè)計(jì)：材料聚合物條排列的模式，是重復(fù)的十字交叉結(jié)構(gòu)。當(dāng)它扭曲或彎曲時(shí)，這種聚合物晶格條的硬度比經(jīng)典彈性理論所預(yù)期的硬度要高30倍。

威斯康星大學(xué)的研究人員于2018年2月8日將關(guān)于這一新晶格材料的科研成果發(fā)表在了“Physical Review Letters”雜志中。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測量時(shí)，Roderic Lakes確定材料的行為與Cosserat彈性理論一致，Cosserat彈性理論是一個(gè)更具描述性的彈性理論，它考慮到了材料中底層結(jié)構(gòu)的大小。

“如果你有一種具有底層結(jié)構(gòu)的材料，比如一些泡沫，格子和纖維增強(qiáng)材料，通常它們比經(jīng)典彈性理論能夠處理的自由度更大�！� Roderic Lakes說�！八�以我們正在研究材料的自由行為，而不是僅僅關(guān)注依靠于標(biāo)準(zhǔn)理論所推導(dǎo)出的行為方式�！边@種增加的自由度為科研人員開發(fā)出對應(yīng)力集中不敏感的新材料提供了潛在途徑;換句話說，這種韌性改善的材料可用于各種應(yīng)用，其中就包括使飛機(jī)機(jī)翼更能抵抗裂紋。

如果飛機(jī)機(jī)翼出現(xiàn)裂縫，則應(yīng)力集中在裂縫周圍，使機(jī)翼變得十分脆弱。我們需要一定的壓力來打破某些東西。不過對于我們研發(fā)的這種新型材料，如果它有裂縫，我們可以用較小的壓力來打破它�！� Roderic Lakes說。

根據(jù)Roderic Lakes的數(shù)據(jù)顯示，使用Cosserat彈性理論來指導(dǎo)材料的設(shè)計(jì)，將有助于生產(chǎn)出更加強(qiáng)硬的材料，且應(yīng)力能夠均勻分布在整個(gè)材料中。這些類似的效果存在于骨頭和某些類型的泡沫等材料中。然而，當(dāng)工程師為座墊制造泡沫時(shí)，他們對泡沫的底層結(jié)構(gòu)（泡沫內(nèi)部形成和組成泡孔的微小氣泡）沒有太多的控制。因此，他們的這一工作達(dá)不到Cosserat彈性理論的效果。

與泡沫形成鮮明對比的是，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的研究人員可以在其晶格材料中調(diào)整Cosserat效應(yīng)并使這種效應(yīng)得到充分彰顯。“我們開發(fā)了一種材料，我們對格子的精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了非常詳細(xì)的控制，這使我們能夠在彎曲和扭轉(zhuǎn)材料時(shí)獲得非常強(qiáng)大的效果。” Roderic Lakes說。


來源 : 材料科技在線