Metamateriály na báze titánu odomknú silu nad prírodou.
Priekopnícky titánový metamateriál s jedinečnou silou a všestrannosťou by mohol revolúciu v revolúcii v oblasti výroby a vysokorýchlostného letectva.
Ľahký, vysoko pevný titánový materiál bol navrhnutý, ktorý by mohol viesť k silnejším zdravotníckym pomôckam a inovatívnym návrhom vozidiel a kozmických lodí. Výskumný tím použil spoločnú zliatinu titánu, Ti -6 al -4 v, na zostavenie „metamateriálu“, výrazu, ktorý sa používa na opis umelého materiálu, ktorý má jedinečné vlastnosti, ktoré nie sú pozorované v prírode - meta znamená “. za „v gréčtine.
Mnoho takých zložitých a prekvapivo silných štruktúr existuje v prírode, podobne ako v prípade Victoria Water Lily. Tento gigantický plávajúci list, pôvodom z Južnej Ameriky, je dostatočne silný na to, aby podporil dospelého v dôsledku jedinečnej štruktúry mriežky jeho žíl.
Štruktúry umelých materiálov môžu byť navrhnuté tak, aby napodobňovali tieto rastliny a iné prírodné pórovité materiály, ako sú koraly, s rôznymi mriežkami, ktoré siahajú od jednoduchých kociek po zložité dodecachedróny. Póry v týchto mriežkových štruktúrach sa prepojia a vytvárajú kanály. Podľa vedcov RMIT sú tieto materiály z mriežky, ktoré sú známe ako „bunkové“ materiály.
„Kovová 3D tlač je však menič hier, ktorá vedcom umožňuje navrhovať a vyrábať vysoko inovatívne svetlo a silné mobilné kovy,“ povedal Jordan Noronha, Ph.D. Kandidát, ktorý pracoval na projekte na RMIT.
V bunkových materiáloch sú mriežky spojené v troch rozmeroch tenkými, tuhými tyčami alebo lúčmi nazývanými vzpery. Vedci namiesto toho použili duté vzpery, cieľom bolo vyrobiť bunkový materiál s nízkou hustotou rovnako silný ako pevná kovová zliatina s podobnou hustotou ako zliatiny horčíka s vysokou pevnosťou.
Tlač metamateriálu
Výskumný tím vedený Ma Qian, profesorom v Centre pre výrobu aditív RMIT, použil na výrobu metamateriálov titánu 3D tlačový proces s názvom „Fúzia laserového práškového lôžka“. Táto technika, ktorá vytvára materiálovú vrstvu podľa vrstvy pomocou vysoko výkonného laserového lúča, sa bežne používa na prípravu komplexných výrobných dielov z menej ako milimetra až do veľkosti takmer dva metre.
Qian vysvetlil prístup svojho tímu. „Po prvé, celá vzorka metamateriálnej mriežky je navrhnutá ako digitálny model. Potom je tento model digitálne nakrájaný do mnohých tenkých vrstiev pomocou softvérového nástroja.“
„Tento výrobný proces založený na vrstve zahŕňa laserové topenie kovových práškov, rýchle tuhnutie tekutého kovu (roztavené kovové prášky) a opakované vykurovacie a chladiace procesy stuhnutého kovu,“ rozpracoval.
Qian hovorí, že celý proces v súčasnosti trvá asi 18 hodín, ale prostredníctvom optimalizácie v budúcnosti plánuje skrátiť časový rámec.
Čo robí materiál tak silný?
Duté vzpery a tenké platne sú dve topológie zodpovedné za vysokú pevnosť metamateriálu. Na rozdiel od väčšiny bunkových materiálov, ktoré obsahujú slabé body, v ktorých sa koncentruje stres, tieto dve doplnkové mriežky rovnomerne distribuujú stres a zároveň poskytujú podporu.
„V ideálnom prípade by sa mal stres vo všetkých bunkových materiáloch rovnomerne šíriť,“ vysvetlil Qian. „Avšak pre väčšinu topológií je bežné, že menej ako polovica materiálu nesie hlavne tlakové zaťaženie, zatiaľ čo väčší objem materiálu je štrukturálne zanedbateľný.“
„Tento multi-topologický návrh tiež podporuje vychýlenie crackových ciest, aby sa zvýšila húževnatosť,“ dodal. „Namiesto prasklín, ktoré sa vyskytujú priamo cez mriežku, ktorá sa vyskytuje vo väčšine bunkových materiálov, v našej topológii mriežky s dutinou s tenkou doskou, vzpery a dosky spolupracujú na odklonení trhlín pozdĺž dlhšej cesty.“
Zliatiny horčíka sa v súčasnosti používajú v komerčných aplikáciách, ktoré si vyžadujú vysokú pevnosť a ľahkú váhu. V porovnaní s najsilnejšou dostupnou zliatinou horčíka (WE54) je vzorka metamateriálu titánu s porovnateľnou hustotou oveľa silnejšia. Zliatiny horčíka nie sú tiež prístupné fúzii laserového práškového lôžka alebo 3D tlače v dôsledku odparovania prášku, čo dáva zliatine titánu výrobnú výhodu.
Ďalšie kroky a potenciálne aplikácie
Predtým, ako je materiál komercializovaný, Qian a jeho tím najprv chcú zabezpečiť, aby materiál fungoval pri maximálnej účinnosti.
Za týmto účelom plánujú ešte viac zlepšiť svoj súčasný dizajn, aby sa ešte viac posilnili a odľahčili svoje titánové metamateriály. Napríklad na základe numerických simulácií upravia podiel tenkých dosiek na duté vzpery, aby sa umožnilo rovnomernejšie rozloženie napätia v celej štruktúre.
Podľa vedcov, ak je metamateriál vyrobený z zliatiny titánu s vysokou teplotou, môže sa použiť pri teplotách do 600 stupňov. Táto vlastnosť, spolu s jeho odporom korózie, robí materiál vhodný na použitie v vysokorýchlostných lietajúcich lietadlách alebo raketách, ktoré musia byť schopné vydržať intenzívne teplo generované ich vysokými rýchlosťami. Titánové roboty používané na dôkladné monitorovanie alebo boj proti požiarom by tiež mali úžitok z ľahkej hmotnosti, pevnosti a tepelného odporu metamateriálu.
Pretože metamateriál je tiež biokompatibilný, mohol by sa tiež použiť v zdravotníckych pomôckach, ako sú kostné implantáty. Táto technológia však v tejto fáze ešte nie je široko dostupná, takže jej prijatie podľa priemyslu môže trvať nejaký čas. „Naším najdôležitejším obmedzením je exkluzivita našej technológie a náklady na výrobu by mohli byť ďalším dôležitým problémom,“ uviedol Qian.
„Tradičné výrobné procesy nie sú praktické na výrobu týchto zložitých metamateriálov kovov a nie každý má vo svojom sklade laserový prášok fúzneho lôžka,“ dodal. „Ako sa však táto technológia vyvíja, stane sa prístupnejšou a umožní väčšiemu publiku implementovať naše vysoko pevné multi-topologické metamateriály v ich komponentoch.“