Metamateriał na bazie tytanu odblokowuje siłę poza naturą.
Przełomowy metamateriał tytanu o niezrównanej wytrzymałości i wszechstronności może zrewolucjonizować produkcję i szybką lotnictwo.
Zaprojektowano lekki materiał tytanowy o wysokiej wytrzymałości, który może prowadzić do silniejszych urządzeń medycznych oraz innowacyjnych projektów pojazdów i statków kosmicznych. Zespół badawczy zastosował wspólny stop tytanowy, ti -6 al -4 v, aby skonstruować „metamateriał”, termin używany do opisania sztucznego materiału, który posiada unikalne właściwości nie obserwowane w naturze - meta oznacza ” poza „po grecku.
W naturze istnieje wiele tak skomplikowanych i zaskakująco silnych struktur, takich jak wiktoriajska lilia wodna. Pochodzący z Ameryki Południowej, ten gigantyczny, pływający liść jest wystarczająco silny, aby utrzymać dorosłą ze względu na unikalną strukturę kratów żył.
Struktury materiałów stworzonych przez człowieka można zaprojektować do naśladowania tych roślin i innych naturalnych porowatych materiałów, takich jak koral, z różnymi sieciami, od prostych kostek po złożone Dodekahedrony. Pory w tych strukturach sieciowych łączą się, tworząc kanały. Według badaczy RMIT, znane jako materiały „komórkowe”, te materiały sieci często zawierają kompromis siłowy, jeśli nie jest odpowiednio zaprojektowany.
„Jednak metalowy druk 3D jest zmieniaczem gier, umożliwiając badaczom projektowanie i wytwarzanie wysoce innowacyjnych światła i silnych metali komórkowych” - powiedział dr Jordan Noronha. Kandydat, który pracował nad projektem w RMIT.
W materiałach komórkowych sieci są połączone w trzech wymiarach cienkimi, stałymi prętami lub wiązkami zwanymi rozpórkami. Zamiast tego wykorzystując puste rozpórki, naukowcy starali się stworzyć materiał komórkowy o niskiej gęstości tak samo silny jak stały stop metalowy o podobnej gęstości do stopów magnezu o wysokiej wytrzymałości.
Drukowanie metamateriału
Zespół badawczy prowadzony przez Ma Qian, profesora w Centrum Produkcji Addytywnej RMIT, zastosował proces drukowania 3D o nazwie „Fuzja laserowa w proszku” do wykonania metamateriałów tytanu. Ta technika, która konstruuje warstwę materiałową według warstwy za pomocą wiązki laserowej o dużej mocy, jest powszechnie stosowana do przygotowania złożonych części produkcyjnych od mniej niż milimetra do prawie dwóch metrów.
Qian wyjaśnił podejście swojego zespołu. „Po pierwsze, cała próbka metamateriału sieci została zaprojektowana jako model cyfrowy. Następnie ten model jest cyfrowo pokrojony na wiele cienkich warstw za pomocą narzędzia oprogramowania”.
„Ten proces wytwarzania oparty na warstwie obejmuje topnienie laserowe proszków metali, szybkie zestalenie cieczy (roztopione proszki metalu) oraz powtarzające się procesy ogrzewania i chłodzenia zestalonego metalu”-opracował.
Qian twierdzi, że cały proces trwa obecnie około 18 godzin, ale dzięki optymalizacji on i jego zespół planują skrócić ramy czasowe w przyszłości.
Co sprawia, że materiał jest tak silny?
Puste rozpórki i cienkie płyty to dwie topologie odpowiedzialne za wysoką siłę metamateriału. W przeciwieństwie do większości materiałów komórkowych, które zawierają słabe punkty, w których koncentruje się naprężenie, te dwie komplementarne sieci równomiernie rozkładają naprężenie, zapewniając wsparcie.
„Idealnie, stres we wszystkich materiałach komórkowych powinien być równomiernie rozłożony” - wyjaśnił Qian. „Jednak w przypadku większości topologii powszechne jest to, że mniej niż połowa materiału ma głównie obciążenie ściskające, podczas gdy większa objętość materiału jest strukturalnie nieistotna”.
„Ten projekt multi-topologii promuje również ugięcie ścieżek pęknięć w celu zwiększenia wytrzymałości”-dodał. „Zamiast pęknięć występujących bezpośrednio przez sieć, które występują w większości materiałów komórkowych, w naszej cienkiej topologii sieci pustej, rozpórki i płytki współpracują, aby odwrócić pęknięcia wzdłuż dłuższej ścieżki”.
Stopy magnezu są obecnie stosowane w zastosowaniach komercyjnych wymagających wysokiej wytrzymałości i lekkiej. W porównaniu z najsilniejszym dostępnym stopem magnezu (WE54) próbka metamateriału tytanu o porównywalnej gęstości jest znacznie silniejsza. Stopy magnezu nie są również podatne na fuzję laserowej proszku lub drukowanie 3D z powodu waporyzacji proszku, co daje stopowi tytanowi przewagę produkcyjną.
Kolejne kroki i potencjalne aplikacje
Zanim materiał zostanie skomercjalizowany, Qian i jego zespół najpierw chcą upewnić się, że materiał osiągnie maksymalną wydajność.
Aby to zrobić, planują jeszcze bardziej ulepszyć swój obecny projekt, aby wzmocnić i rozjaśnić ich tytanowe metamateriały. Na przykład, w oparciu o symulacje numeryczne, dostosują one odsetek cienkich płyt do pustych rozpórków, aby umożliwić bardziej jednolity rozkład naprężenia w całej konstrukcji.
Według naukowców, jeśli metamateriał jest wytwarzany z wysokiego temperatury stopu tytanu, można go stosować w temperaturach do 600 stopni. Ta funkcja, wraz z odpornością na korozję, sprawia, że materiał odpowiedni do stosowania w latających samolotach lub pociskach, które muszą być w stanie wytrzymać intensywne ciepło wytwarzane przez ich duże prędkości. Drony tytanowe używane do ścisłego monitorowania lub walki pożarów skorzystałyby również z lekkiej, wytrzymałości i odporności na ciepło metamateriału.
Ponieważ metamateriał jest również biokompatybilny, można go również stosować w urządzeniach medycznych, takich jak implanty kostne. Jednak na tym etapie technologia nie jest jeszcze szeroko dostępna, więc jej przyjęcie przez przemysł może zająć trochę czasu. „Naszym najważniejszym ograniczeniem jest wyłączność naszej technologii, a koszt wytwarzania może być kolejnym ważnym problemem” - stwierdził Qian.
„Tradycyjne procesy produkcyjne nie są praktyczne w zakresie wytwarzania tych skomplikowanych metalowych metamateriałów i nie każdy ma w magazynie maszynę do fuzji złoża laserowego w proszku” - dodał. „Jednak w miarę rozwoju technologii stanie się bardziej dostępna, umożliwiając większym odbiorcom wdrożenie naszych wielokrotnie topologii metamateriały w ich komponentach”.