Метаматериалната на базата на титан отключва сила отвъд природата.

Основният титанов метаматериал с несравнима якост и гъвкавост може да революционизира производството и високоскоростната авиация.

Проектиран е лек титанов материал с висока якост, който може да доведе до по-силни медицински изделия и иновативни дизайни на превозни средства и космически кораби. Изследователският екип използва обикновена титаниева сплав, Ti -6 al -4 V, за да конструира "метаматериал", термин, използван за описание на изкуствен материал, който притежава уникални свойства, които не се наблюдават в природата - мета означава " Отвъд "на гръцки.

Много такива сложни и изненадващо силни структури съществуват в природата, като тази на водната лилия на Виктория. Роден в Южна Америка, този гигантски плаващ лист е достатъчно силен, за да поддържа възрастен поради уникалната решетъчна структура на вените му.

Структурите на човешките материали могат да бъдат проектирани така, че да имитират тези растения и други естествени порести материали като корали, с различни решетки, които варират от прости кубчета до сложни додекаедри. Порите в тези решетъчни структури се свързват, образувайки канали. Известни като "клетъчни" материали, тези решетъчни материали често се предлагат със силови компромис, ако не са проектирани правилно, според изследователите на RMIT.

"Въпреки това, Metal 3D печат е смяна на играта, което позволява на изследователите да проектират и изработят силно иновативна светлина и силни клетъчни метали", казва Джордан Норонха, доктор на науките. Кандидат, който е работил по проекта в RMIT.

В клетъчните материали решетката са свързани в три измерения от тънки, плътни пръти или греди, наречени подпори. Използвайки кухи подпори вместо това, изследователите имаха за цел да направят клетъчен материал с ниска плътност също толкова силен, колкото плътна метална сплав с подобна плътност на магнезиевите сплави с висока якост.

Отпечатване на метаматериал

Изследователският екип, ръководен от Ma Qian, професор в Центъра за адитивно производство на RMIT, използва 3D процес на печат, наречен "лазерно прахово легло сливане", за да изработи титаниевите метаматериали. Тази техника, която конструира материален слой по слой, използвайки високомощния лазерен лъч, обикновено се използва за приготвяне на сложни производствени части от по-малко от милиметров до близо два метра размер.

Qian обясни подхода на своя екип. "Първо, цялата метаматериална проба на решетката е проектирана като цифров модел. Тогава този модел е нарязан на цифрово на много тънки слоеве, използвайки софтуерен инструмент."

"Този процес на производство на базата на слой включва лазерно топене на метални прахове, бързо втвърдяване на течния метал (разтопените метални прахове) и многократните процеси на отопление и охлаждане на втвърдения метал", разработи той.

Qian казва, че в момента целият процес отнема около 18 часа, но чрез оптимизация той и неговият екип планират да съкратят времевата рамка в бъдеще.

Какво прави материала толкова силен?

Кухите подпори и тънки плочи са двете топологии, отговорни за високата якост на метаматериал. За разлика от повечето клетъчни материали, които съдържат слаби точки, в които се концентрира стрес, тези две допълнителни решетки равномерно разпределят стреса, като същевременно осигуряват подкрепа.

"В идеалния случай стресът във всички клетъчни материали трябва да бъде равномерно разпространен", обясни Qian. "Въпреки това, за повечето топологии е обичайно за по -малко от половината от материала да носят главно натоварването на натиск, докато по -големият обем на материала е структурно незначителен."

„Този ​​многотопологичен дизайн също насърчава отклонението на пукнатините, за да се подобри здравината“, добави той. "Вместо пукнатините, протичащи директно през решетката, които се срещат в повечето клетъчни материали, в нашата тънка плоча куха струна решетка топология, подпорите и плочите работят заедно, за да отклонят пукнатините по по-дълъг път."

Понастоящем магнезиевите сплави се използват в търговски приложения, които изискват висока якост и леки. В сравнение с най -силната налична летна магнезиева сплав (WE54), проба от титановия метаматериал със сравнима плътност е много по -силна. Магнезиевите сплави също не са подлежащи на сливане на лазерно прахово легло или 3D печат поради изпаряването на праха, което дава на титановата сплав производствено предимство.

Следващи стъпки и потенциални приложения

Преди да бъде комерсиализиран материалът, Qian и неговият екип първо искат да гарантират, че материалът се изпълнява с максималната си ефективност.

За да направят това, те планират да подобрят сегашния си дизайн, за да укрепят и облекчат своите титанови метаматериали още повече. Например, въз основа на числени симулации, те ще коригират съотношението на тънки плочи към кухи подпори, за да позволят по -равномерно разпределение на напрежението в цялата структура.

Според изследователите, ако метаматериалът е произведен от високотемпературна титанова сплав, той може да се използва при температури до 600 градуса. Тази характеристика, заедно с устойчивостта на корозия, прави материала подходящ за използване при високоскоростни летящи самолети или ракети, които трябва да могат да издържат на интензивната топлина, генерирана от техните високи скорости. Титановите дронове, използвани за внимателно наблюдение или борба с пожарите, също биха се възползвали от лекото тегло, здравина и топлинна устойчивост на метаматериал.

Тъй като метаматериалът също е биосъвместим, той може да се използва и в медицински изделия като костни импланти. Технологията обаче все още не е широко достъпна на този етап, така че приемането му от индустрията може да отнеме известно време. „Най -важното ни ограничение е изключителността на нашата технология и цената на производството може да бъде друга важна грижа“, заяви Qian.

„Традиционните производствени процеси не са практични за производството на тези сложни метални метаматериали и не всеки има машина за сливане на лазерно прахово легло в своя склад“, добави той. "Въпреки това, докато технологията се развива, тя ще стане по-достъпна, което ще позволи на по-голяма аудитория да внедри нашите високоядостни многотопологични метаматериали в своите компоненти."