美大学借助3D打印开发出新型轻便、可防止变形失效的超材料
来源:3D打印技术参考 浏览次数: 发表日期:2021-04-22

材料和结构的破坏与局部机制有内在联系,包括易延性金属、脆性陶瓷、离散泡沫和空间桁架,通常会发生高度局部变形。剪切带和裂纹表面的形成,以及壁和支柱的屈曲,可能会发生连锁反应,而系统的大部分未承受临界载荷。为了打破这种已建立的范式,来自加州大学尔湾分校和佐治亚理工学院的研究人员们展示了使变形非局部化的3D打印张力超材料,可以使变形离位以防止失效。

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研究人员通过张拉整体性(Tensegrity)设计原则,将孤立的刚性杆集成到柔性的绳索网格中形成一种非常轻便的自张紧桁架结构。然后从950纳米直径的元件开始,使用先进的直接激光写入技术来生成尺寸在10-20微米的基本单元,制成由八个单元构成的超级单体,这些单体可以组装形成连续的结构。研究人员通过建模和实验观察到,这些构造表现出了独特的均匀变形行为,而没有局部应力过大或利用不足的现象。研究显示,新的超材料的可变形性提高了25倍,其能量吸收能力比最好的晶格排列提高了一个数量级。

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4%相对密度八位体试样的单轴压缩实验。上图给出了原位静态框架和相应的变形图、应力-应变响应和离域效率曲线

张拉整体结构已经被研究了几十年,尤其是在建筑设计领域,最近在许多生物系统中也发现了它们的存在。几年前,佐治亚理工学院的Julian Rimoli才在理论上对适当的周期性张力晶格进行了概念化。正是通过该项目,该研究团队实现了对这些超材料的首次物理制造和性能演示。

这种基于微米级桁架和格栅的极轻便但具有很好强度和刚度的传统结构可以通过增材制造技术来制造,具有替代飞机、风力涡轮机叶片和许多其他应用中较重结构的潜力。尽管这种材料具有许多理想的品质,但它们也像任何承重结构一样,在过载的情况下仍然易于遭受灾难性破坏。

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4%相对密度开尔文试样的单轴压缩实验。给出了原位静态框架和相应的变形图、应力-应变响应和离域效率曲线

在纳米结构材料中,失效通常始于高度局部的变形。一个区域内的剪切带、表面裂缝以及壁和支柱的屈曲会引起连锁反应,从而导致整个结构坍塌。研究人员解释说,当受压构件屈曲时,桁架格栅开始坍塌,因为受拉的桁架无法承受。通常,这些部件在公共节点处互连,这意味着一旦失效,损伤会迅速扩散到整个结构中。

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基本单元以及由多个单元构成的超级单体

相反,张拉整体结构的压缩构件形成闭环,彼此隔离,仅通过拉伸构件连接。因此,受压构件的不稳定性只能通过拉伸载荷路径传播,如果不断裂,则不会经历不稳定性。向下压拉张整体系统,整个结构将均匀受压,防止局部损坏,否则将导致灾难性的破坏。

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借助3D打印开发的超材料进行压缩试验

张拉超材料显示出前所未有的抗破坏性、极好能量吸收性、可变形性和强度,胜过了所有其他类型的最新轻型结构。该团队的研究为高级工程系统的设计提供了重要的基础,从可重复使用的冲击防护系统到自适应的承重结构,相关论文《Tensegrity Metamaterials: Toward Failure‐Resistant Engineering Systems through Delocalized Deformation》已在Advanced Materials期刊上发表。




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