Títan-byggð metamaterial opnar styrk umfram náttúruna.

Byltingarkennt títan metamefni með óviðjafnanlegan styrk og fjölhæfni gæti gjörbylt framleiðslu og háhraða flug.

Létt, hástyrkt títanefni hefur verið hannað sem gæti leitt til sterkari lækningatækja og nýstárlegra ökutækja og geimfarshönnunar. Rannsóknarteymið notaði algengt títanblöndu, ti -6 al -4 v, til að smíða „metamaterial“, hugtak sem notað er til að lýsa gerviefni sem býr yfir einstökum eiginleikum sem ekki er sést í náttúrunni - Meta þýðir „umfram“ á grísku.

Mörg svo flókin og furðu sterk mannvirki eru til í náttúrunni, eins og Victoria Water Lily. Innfæddur Suður -Ameríka, þetta risa fljótandi lauf er nógu sterkt til að styðja fullorðinn vegna hinnar einstöku grindarbyggingar í æðum.

Hægt er að hanna mannvirki manngerða efna til að líkja eftir þessum plöntum og öðrum náttúrulegum porous efni eins og kóral, með mismunandi grindur sem eru allt frá einföldum teningum til flókinna dodecahedrons. Svitaholurnar í þessum grindarvirkjum samtengdu og mynda rásir. Þessi grindarefni eru þekkt sem „frumu“ efni og eru oft með styrkleika ef ekki er hannað á réttan hátt, að sögn RMIT vísindamanna.

„Metal 3D prentun er þó leikjaskipti, sem gerir vísindamönnum kleift að hanna og búa til mjög nýstárlega ljós og sterka farsíma,“ sagði Jordan Noronha, doktorsgráðu. frambjóðandi sem vann að verkefninu hjá RMIT.

Í frumuefnum eru grindurnar tengdar í þrívídd með þunnum, fastum stöngum eða geisla sem kallast struts. Með því að nota Hollow Struts í staðinn miðuðu vísindamennirnir að því að búa til lágþéttni frumuefni alveg eins sterkt og traust málmblöndur með svipaðan þéttleika og styrktar magnesíum málmblöndur.

Prentun á myndefninu

Rannsóknarteymið undir forystu Ma Qian, prófessors við RMIT's Center for Additive Manufacturing, notaði 3D prentunarferli sem kallast „leysir duftbeðssamruni“ til að búa til títan metamaterials. Þessi tækni, sem smíðar efnislag með lagi með háknúnum leysigeisli, er almennt notuð til að útbúa flókna framleiðsluhluta frá minna en millimetra upp í næstum tvo metra að stærð.

Qian útskýrði nálgun liðs síns. "Í fyrsta lagi er allt grindarefnið sýnishorn hannað sem stafrænt líkan. Þá er þetta líkan stafrænt skorið í mörg þunn lög með hugbúnaðartæki."

„Þetta lag byggða framleiðsluferli felur í sér leysir bráðnun málmdufts, skjótt storknun fljótandi málmsins (bræddu málmduftið) og endurteknar upphitunar- og kælingarferli storknaða málmsins,“ útfærði hann.

Qian segir að allt ferlið taki nú um það bil 18 klukkustundir, en með hagræðingu ætla hann og teymi hans að stytta tímaramma í framtíðinni.

Hvað gerir efnið svona sterkt?

Hollur struts og þunnar plötur eru tvær grannfræði sem bera ábyrgð á miklum styrk Metamaterial. Ólíkt flestum frumuefnum, sem innihalda veika punkta þar sem streitu einbeitir sér, dreifa þessum tveimur viðbótargrindurum jafnt álag meðan þeir veita stuðning.

„Helst ætti að dreifa álaginu í öllum frumum jafnt,“ útskýrði Qian. „Hins vegar, fyrir flestar grannfræði, er það algengt að minna en helmingur efnisins beri aðallega þjöppunarálagið, en stærra magn efnisins er byggingarlega óverulegt.“

„Þessi fjölþætta hönnun stuðlar einnig að sveigju sprunguslóða til að auka hörku,“ bætti hann við. "Í stað þess að sprungurnar eiga sér stað beint í gegnum grindurnar, sem eiga sér stað í flestum frumuefnum, í þunnu plötunni okkar hollustu grindargráðu, vinna struts og plöturnar saman að því að beina sprungunum eftir lengri leið."

Magnesíum málmblöndur eru nú notaðar í atvinnuskyni sem krefjast mikils styrks og léttra. Í samanburði við sterkustu steypu magnesíumblöndu sem völ er á (WE54) er sýnishorn af títan metamaterial með sambærilegan þéttleika mun sterkari. Magnesíum málmblöndur eru heldur ekki mögulegar fyrir leysir duftsbeð samruni eða 3D prentun vegna gufu duftsins, sem gefur títan álfelgum framleiðsluforskot.

Næstu skref og hugsanleg forrit

Áður en efnið er markaðssett vilja Qian og teymi hans fyrst tryggja að efnið standi við hámarks skilvirkni.

Til að gera þetta ætla þeir að bæta núverandi hönnun sína til að styrkja og létta títan metamaterials þeirra enn meira. Til dæmis, byggt á tölulegum eftirlíkingum, munu þeir aðlaga hlutfall þunnra plötna að holum strengjum til að leyfa jafna streitudreifingu um alla uppbyggingu.

Samkvæmt vísindamönnunum, ef myndefnið er framleitt úr háhita títanblöndu, er hægt að nota það við hitastig allt að 600 gráðu. Þessi eiginleiki, ásamt tæringarþolinu, gerir efnið hentugt til notkunar í háhraða fljúgandi flugvélum eða eldflaugum, sem verður að geta staðist mikinn hita sem myndast af miklum hraða þeirra. Títan drónar sem notaðir voru til að fylgjast náið með eða berjast við eldsvoða myndu einnig njóta góðs af léttum, styrkleika og hitaþols metamaterans.

Vegna þess að myndefnið er einnig lífsamhæfilegt, gæti það einnig verið notað í lækningatækjum eins og beinígræðslum. Hins vegar er tæknin ekki enn víða aðgengileg á þessu stigi, þannig að upptaka hennar eftir iðnaði gæti tekið nokkurn tíma. „Mikilvægasta takmörkun okkar er einkarétt tækni okkar og kostnaður við framleiðslu gæti verið annað mikilvægt áhyggjuefni,“ sagði Qian.

„Hefðbundin framleiðsluferlar eru ekki hagnýtir fyrir framleiðslu þessara flókinna málmmetraefna og ekki eru allir með leysir duftbeð -samrunavél í vöruhúsinu sínu,“ bætti hann við. „Þegar tæknin þróast mun hún þó verða aðgengilegri, sem gerir stærri áhorfendum kleift að innleiða hástyrkt fjölverkfræði metamaterials í íhlutum sínum.“