Titaanil põhinev metamaterjal avab tugevuse loodusest kaugemale.

Murranguv titaan metamaterjal, millel on võrratu jõu ja mitmekülgsus, võib muuta tootmist ja kiiret lennundust.

Kerge, ülitugev titaanmaterjal on konstrueeritud, mis võib põhjustada tugevamaid meditsiiniseadmeid ning uuenduslikke sõidukite ja kosmoselaevade kujundusi. Uurimisrühm kasutas tavalist titaanisulamit, ti -6 al -4 V, "metamaterjali" konstrueerimiseks - termin, mida kasutatakse kunstliku materjali kirjeldamiseks, millel on ainulaadsed omadused, mida looduses ei täheldata - meta tähendab " kaugemale "kreeka keeles.

Paljud sellised keerukad ja üllatavalt tugevad struktuurid eksisteerivad looduses, näiteks Victoria veeliilia oma. Lõuna -Ameerikas levinud hiiglaslik ujuv leht on piisavalt tugev, et toetada täiskasvanut, kuna selle veenide ainulaadne võre struktuur.

Inimese valmistatud materjalide struktuurid saab kujundada nende taimede ja muude looduslike poorsete materjalide, näiteks korallide jäljendamiseks, erinevate võredega, mis ulatuvad lihtsatest kuubikutest kuni keerukate dodekaedadeni. Nendes võrestruktuurides olevad poorid ühendavad, moodustades kanaleid. RMIT -i teadlaste sõnul on need võrematerjalid tuntud kui "rakulised" materjalid.

"Metalli 3D -printimine on aga mängude vahetaja, mis võimaldab teadlastel kavandada ja valmistada väga uuenduslikke valgusi ja tugevaid mobiilseid metalle," ütles doktorikraad Jordan Noronha. Kandidaat, kes töötas projekti kallal RMIT -is.

Rakulistes materjalides ühendatakse võred kolmes mõõtmes õhukeste, tahkete varraste või taladega, mida nimetatakse tugiks. Kasutades hoopis õõnsaid tugijaosid, püüdsid teadlased valmistada madala tihedusega rakulise materjali sama tugevana kui tahke metalliline sulam, millel on sarnane tihedusega ülitugeva magneesiumisulamitega.

Metamaterjali printimine

RMIT -i lisaainete tootmise keskuse professor Ma Qian juhtis uurimisrühma kasutas titaani metamaterjalide valmistamiseks 3D -printimisprotsessi nimega "Laserpulbervoodi sulandumine". Seda tehnikat, mis konstrueerib materiaalse kihi abil kihi, kasutades suure võimsusega laserkiirit, kasutatakse tavaliselt keerukate tootmisosade valmistamiseks vähem kui millimeetrist kuni peaaegu kahe meetri suurusest.

Qian selgitas oma meeskonna lähenemist. "Esiteks on kogu võre metamaterjalik proov kujundatud digitaalse mudeliks. Seejärel viilutatakse see mudel tarkvarariista abil digitaalselt paljudeks õhukesteks kihtideks."

"See kihipõhine valmistamisprotsess hõlmab metallpulbrite lasersulamist, vedela metalli (sulatatud metallipulbrite) kiiret tahkestamist ning tahkestatud metalli korduvaid kuumutamis- ja jahutusprotsesse," täpsustas ta.

Qiani sõnul võtab kogu protsess praegu umbes 18 tundi, kuid optimeerimise kaudu plaanib ta koos oma meeskonnaga tulevikus ajavahemikku lühendada.

Mis teeb materjali nii tugevaks?

Õõnes tugipostid ja õhukesed taldrikud on kaks topoloogiat, mis vastutavad metamaterjali suure tugevuse eest. Erinevalt enamikust rakulistest materjalidest, mis sisaldavad nõrgaid punkte, kus stress kontsentraadid, jaotavad need kaks täiendavat võre ühtlaselt stressi, pakkudes samal ajal tuge.

"Ideaalis peaks kõigi rakuliste materjalide stress olema ühtlaselt levinud," selgitas Qian. "Enamiku topoloogiate puhul on aga tavaline, et vähem kui pool materjalist kannaks peamiselt survekoormust, samas kui suurem materjali maht on struktuurilt ebaoluline."

"See multitopoloogia disain soodustab ka pragude paindet, et tugevdada sitkust," lisas ta. "Meie õhukese õõnes-õõnes-lüüsiga võre topoloogias otse võre kaudu toimuvate pragude asemel, mis esinevad enamikus rakulistes materjalides, töötavad tugipunktid ja taldrikud koos, et suunata praod pikema tee ääres."

Magneesiumisulameid kasutatakse praegu kaubanduslikes rakendustes, mis vajavad suurt tugevust ja kerget. Võrreldes kõige tugevama valatud magneesiumisulamiga (WE54), on võrreldava tihedusega titaani metamaterjali proov palju tugevam. Magneesiumisulamid ei ole ka pulbri aurustamise tõttu laserpulbri voodi- ega 3D -printimise tõttu, andes titaanisulamile tootmise eelise.

Järgmised sammud ja võimalikud rakendused

Enne materjali turuletoomist soovivad Qian ja tema meeskond kõigepealt tagada, et materjal toimib maksimaalse efektiivsuse korral.

Selleks plaanivad nad täiustada oma praegust disaini, et tugevdada ja kergendada nende titaani metamaterjalid veelgi. Näiteks kohandavad need numbriliste simulatsioonide põhjal õhukeste plaatide osakaalu õõnsate tugijaotustega, et võimaldada kogu struktuuris ühtlasemat pingejaotust.

Teadlaste sõnul, kui metamaterjal on valmistatud kõrge temperatuuriga titaansulamist, saab seda kasutada temperatuuril kuni 600 kraadi. See funktsioon koos korrosioonikindlusega muudab materjali sobivaks kiireks lendavates lennukites või rakettides kasutamiseks, mis peab suutma taluda intensiivset soojust, mis tekitab nende suure kiirusega. Titaani droonid, mida kasutatakse tulekahjude tähelepanelikuks jälgimiseks või võitluseks, oleks kasu ka metamaterjali kergest, tugevusest ja kuumakindlust.

Kuna metamaterjal on samuti biosoblik, saab seda kasutada ka meditsiiniseadmetes, näiteks luuimplantaadides. Kuid tehnoloogia pole selles etapis veel laialdaselt kättesaadav, nii et selle kasutuselevõtt tööstuses võib võtta natuke aega. "Meie kõige olulisem piirang on meie tehnoloogia ainuõigus ja valmistuskulud võivad olla veel üks oluline mure," sõnas Qian.

"Traditsioonilised tootmisprotsessid ei ole nende keerukate metamaatikate valmistamiseks otstarbekad ja kõigil pole laos laserpulbri voodite termotuumasünteesi masinat," lisas ta. "Kuid tehnoloogia arenedes muutub see juurdepääsetavamaks, võimaldades suuremal publikul rakendada meie komponentides meie ülitugeva mitmetopoloogia metamaterjalid."