Titanbasert metamateriale låser opp styrke utover naturen.
Et banebrytende titanmetamateriale med enestående styrke og allsidighet kan revolusjonere produksjon og høyhastighets luftfart.
Det er konstruert et lett titanmateriale med høy styrke som kan føre til sterkere medisinsk utstyr og innovative kjøretøy- og romfartøydesign. Forskerteamet brukte en vanlig titanlegering, ti -6 al -4 v, for å konstruere "metamaterialet", et begrep som brukes til å beskrive et kunstig materiale som har unike egenskaper som ikke er observert i naturen - meta betyr " utover "på gresk.
Mange slike intrikate og overraskende sterke strukturer eksisterer i naturen, som Victoria Water Lily. Innfødt til Sør -Amerika, er dette gigantiske flytende bladet sterkt nok til å støtte en voksen på grunn av den unike gitterstrukturen i venene.
Strukturene til menneskeskapte materialer kan utformes for å etterligne disse plantene og andre naturlige porøse materialer som koraller, med forskjellige gitter som spenner fra enkle kuber til komplekse dodekahedroner. Porene i disse gitterstrukturene sammenkobler, og danner kanaler. Disse gittermaterialene er kjent som "cellulære" materialer, og kommer ofte med en styrkeavveining hvis de ikke er designet riktig, ifølge RMIT -forskerne.
"Metal 3D -utskrift er imidlertid en spillskifter, slik at forskere kan designe og fremstille svært innovative lys og sterke cellulære metaller," sa Jordan Noronha, en doktorgrad. Kandidat som jobbet med prosjektet på RMIT.
I cellulære materialer kobles gitter i tre dimensjoner av tynne, faste stenger eller bjelker som kalles stag. Ved å bruke hule stivere i stedet, hadde forskerne rettet mot å lage et cellulært materiale med lav tetthet like sterkt som en solid metallisk legering med en lignende tetthet som magnesiumlegeringer med høy styrke.
Skrive ut metamaterialet
Forskerteamet ledet av Ma Qian, professor ved RMITs Center for Additive Manufacturing, brukte en 3D -utskriftsprosess kalt "Laser Powder Bed Fusion" for å fremstille titanmetamaterialene. Denne teknikken, som konstruerer et materiallag for lag ved bruk av en høydrevet laserstråle, brukes ofte til å fremstille komplekse produksjonsdeler fra mindre enn en millimeter opp til nesten to meter i størrelse.
Qian forklarte teamets tilnærming. "For det første er hele gittermetamaterialprøven designet som en digital modell. Deretter er denne modellen digitalt skivet i mange tynne lag ved hjelp av et programvareverktøy."
"Denne lagbaserte fabrikasjonsprosessen involverer lasersmelting av metallpulver, rask størkning av flytende metall (det smeltede metallpulver) og gjentatte oppvarmings- og kjøleprosesser av det størknet metallet," utdypet han.
Qian sier at hele prosessen for øyeblikket tar rundt 18 timer, men gjennom optimalisering planlegger han og teamet å forkorte tidsrammen i fremtiden.
Hva gjør materialet så sterkt?
Hule stiver og tynne plater er de to topologiene som er ansvarlige for metamaterialets høye styrke. I motsetning til de fleste cellulære materialer, som inneholder svake punkter der stress konsentrerer seg, fordeler disse to komplementære gitterene jevnt stress mens de gir støtte.
"Ideelt sett bør stresset i alle cellulære materialer spres jevnt," forklarte Qian. "For de fleste topologier er det imidlertid vanlig at mindre enn halvparten av materialet hovedsakelig bærer trykkbelastningen, mens det større volumet av materiale er strukturelt ubetydelig."
"Denne multi-topologidesignen fremmer også avbøyningen av sprekkveier for å forbedre seigheten," la han til. "I stedet for at sprekkene som oppstår direkte gjennom gitteret, som forekommer i de fleste cellulære materialer, i vår tynnplate hul-strut-gittertopologi, fungerer stagene og platene sammen for å avlede sprekkene langs en lengre sti."
Magnesiumlegeringer brukes for tiden i kommersielle applikasjoner som krever høy styrke og lettvekt. Sammenlignet med den sterkeste støpte magnesiumlegering er tilgjengelig (WE54), er en prøve av titanmetamaterialet med en sammenlignbar tetthet mye sterkere. Magnesiumlegeringer er heller ikke mulig for fusjon av laserpulver eller 3D -utskrift på grunn av fordampningen av pulveret, noe som gir titanlegering en produksjonsfordel.
Neste trinn og potensielle applikasjoner
Før materialet er kommersialisert, ønsker Qian og teamet hans først å sikre at materialet presterer med sin maksimale effektivitet.
For å gjøre dette planlegger de å forbedre sin nåværende design for å styrke og lette titanmetamaterialene sine enda mer. For eksempel, basert på numeriske simuleringer, vil de justere andelen tynne plater til hule stag for å tillate en mer jevn spenningsfordeling gjennom hele strukturen.
I følge forskerne, hvis metamaterialet er fremstilt fra en titanlegering av høy temperatur, kan det brukes ved temperaturer opp til 600 grader. Denne funksjonen, sammen med korrosjonsmotstanden, gjør materialet egnet for bruk i høyhastighets flyvende fly eller missiler, som må tåle den intense varmen som genereres av deres høye hastigheter. Titan -droner som brukes til å overvåke eller bekjempe villbranner, ville også dra nytte av metamaterialet med lett vekt, styrke og varmebestandighet.
Fordi metamaterialet også er biokompatibelt, kan det også brukes i medisinsk utstyr som beinimplantater. Imidlertid er teknologien ennå ikke allment tilgjengelig på dette stadiet, så dens adopsjon av industrien kan ta litt tid. "Vår viktigste begrensning er eksklusiviteten til vår teknologi, og kostnadene for fabrikasjon kan være en annen viktig bekymring," uttalte Qian.
"Tradisjonelle produksjonsprosesser er ikke praktiske for fremstilling av disse intrikate metammetamaterialene, og ikke alle har en laserpulverbed -fusjonsmaskin på lageret deres," la han til. "Når teknologien utvikler seg, vil den bli mer tilgjengelig, slik at et større publikum kan implementere våre høye styrke multi-topologiske metamaterialer i komponentene sine."