Metamaterial na bázi titanu odemkne sílu mimo přírodu.
Průkopnický titanový metamateriál s bezkonkurenční silou a všestranností by mohl revolucionizovat výrobní a vysokorychlostní letectví.
Lehký, vysoký titanový materiál s vysokou pevností byl vytvořen, který by mohl vést k silnějším zdravotnickým zařízením a inovativním návrhům vozidel a kosmických lodí. Výzkumný tým použil běžnou titinu titanium, ti -6 al -4 V, ke konstrukci „metamateriálu“, termín používaný k popisu umělého materiálu, který má jedinečné vlastnosti, které nejsou v přírodě pozorovány - meta znamená. “ za „v řečtině.
Mnoho takových složitých a překvapivě silných struktur existuje v přírodě, jako je u Victoria Water Lily. Tento gigantický plovoucí list, původem z Jižní Ameriky, je dostatečně silný, aby podporoval dospělého z důvodu jedinečné mřížové struktury jeho žil.
Struktury umělých materiálů mohou být navrženy tak, aby napodobovaly tyto rostliny a další přírodní porézní materiály, jako jsou korály, s různými mřížemi, které sahají od jednoduchých kostk po komplexní dodekavory. Póry v těchto mřížkových strukturách propojují a vytvářejí kanály. Tyto materiály, které jsou známé jako „buněčné“ materiály, podle vědců RMIT často přicházejí s kompromisem síly, pokud nejsou správně navrženy správně.
„Metal 3D tisk je však měnič her, který vědcům umožňuje navrhovat a vyrábět vysoce inovativní světlo a silné buněčné kovy,“ řekl Jordan Noronha, Ph.D. kandidát, který pracoval na projektu na RMIT.
V buněčných materiálech jsou mříže spojeny ve třech rozměrech tenkými pevnými tyčemi nebo paprsky nazývanými vzpěry. Používáním dutých vzpěr místo toho se vědci cítili na vytvoření buněčného materiálu s nízkou hustotou stejně silný jako pevná kovová slitina s podobnou hustotou jako vysoce pevné slitiny hořčíku.
Tisk metamateriálu
Výzkumný tým vedený Ma Qianem, profesorem v centru pro výrobu aditivních výroby RMIT, použil k výrobě titanových metamateriálů 3D tiskový proces s názvem „laserový prášek pro ložisko“. Tato technika, která konstruuje materiálovou vrstvu po vrstvě pomocí vysoce výkonného laserového paprsku, se běžně používá k přípravě složitých výrobních dílů z méně než milimetrů až do téměř dvou metrů.
Qian vysvětlil přístup svého týmu. „Za prvé, celý vzorek metamateriálu mřížky je navržen jako digitální model. Tento model je pak digitálně nakrájen do mnoha tenkých vrstev pomocí softwarového nástroje.“
„Tento výrobní proces na bázi vrstvy zahrnuje laserové tání kovových prášků, rychlé ztuhnutí kapalného kovu (roztavené kovové prášky) a opakované procesy zahřívání a chlazení ztuhnutého kovu,“ vypracoval.
Qian říká, že celý proces v současné době trvá asi 18 hodin, ale prostřednictvím optimalizace on a jeho tým plánují v budoucnu zkrátit časový rámec.
Co dělá materiál tak silným?
Duté vzpěry a tenké destičky jsou dvě topologie zodpovědné za vysokou sílu metamateriálu. Na rozdíl od většiny buněčných materiálů, které obsahují slabé body, kde se soustředí napětí, tyto dva doplňkové mřížky rovnoměrně distribuují napětí a poskytují podporu.
„V ideálním případě by se stres ve všech buněčných materiálech měl rovnoměrně šířit,“ vysvětlil Qian. "Pro většinu topologií je však běžné, že méně než polovina materiálu nese převážně tlakové zatížení, zatímco větší objem materiálu je strukturálně nevýznamný."
"Tento multi-topologický design také podporuje vychýlení cest trhlin, aby se zvýšila houževnatost," dodal. "Namísto trhlin, které se vyskytují přímo přes mříž, která se vyskytuje ve většině buněčných materiálů, v naší tenké desce duté rozpětí mřížkové topologie, vzpěry a desky spolupracují na odklonění trhlin podél delší cesty."
Slitiny hořčíku se v současné době používají v komerčních aplikacích, které vyžadují vysokou pevnost a lehkou. Ve srovnání s nejsilnějšími litými hořčíkovými slitinou (WE54) je vzorek metamateriálu titanu se srovnatelnou hustotou mnohem silnější. Slitiny hořčíku nejsou rovněž přístupné fúzi laserového prášku nebo 3D tisku kvůli odpařování prášku, což dává titanové slitině výrobní výhodu.
Další kroky a potenciální aplikace
Před komercializací materiálu Qian a jeho tým nejprve chtějí zajistit, aby materiál působil s maximální účinností.
Za tímto účelem plánují ještě více zlepšit svůj současný design, aby posílili a odlehčili své titanové metamateriály. Například na základě numerických simulací upraví podíl tenkých desek na duté vzpěry, aby umožnily rovnoměrnější rozložení napětí v celé struktuře.
Podle vědců, pokud je metamateriál vyroben z vysokoteplotních titanových slitiny, může být použit při teplotách až 600 stupňů. Tato vlastnost, spolu s odolností proti korozi, způsobuje, že materiál je vhodný pro použití ve vysokorychlostním létajícím letadlech nebo raketách, které musí být schopny odolat intenzivnímu teplu generované jejich vysokými rychlostmi. Titanové drony používané k úzkému sledování nebo boji proti požárům by také těžily z lehké hmotnosti, pevnosti a tepelné odolnosti metamateriálu.
Protože metamateriál je také biokompatibilní, mohl být také použit ve zdravotnických prostředcích, jako jsou kostní implantáty. Tato technologie však v této fázi dosud není dostupná, takže její přijetí průmyslem může nějakou dobu trvat. „Naším nejdůležitějším omezením je exkluzivita naší technologie a náklady na výrobu by mohly být dalším důležitým problémem,“ uvedl Qian.
"Tradiční výrobní procesy nejsou praktické pro výrobu těchto složitých kovových metamateriálů a ne každý má ve skladu fúzní stroj laserového prášku," dodal. "Jak se však technologie vyvíjí, bude přístupnější, což umožní většímu publiku implementovat naše vysoce pevné multi-topologické metamateriály ve svých složkách."
