Meta Crystals使材料更加堅(jiān)固和輕盈

一群英國(guó)研究人員通過(guò)模仿強(qiáng)金屬合金中更不規(guī)則的微尺度晶體結(jié)構(gòu)，找到了一種方法來(lái)制造更耐受損傷的結(jié)構(gòu)材料。一群英國(guó)研究人員通過(guò)模仿強(qiáng)金屬合金中更不規(guī)則的微尺度晶體結(jié)構(gòu)，找到了一種方法來(lái)制造更耐受損傷的結(jié)構(gòu)材料。這一突破可能讓位于具有全新特性的材料，例如更高的強(qiáng)度，更輕的重量以及抵抗材料應(yīng)力損壞的能力。

在材料科學(xué)中，以建筑材料的形式模仿自然通?？梢援a(chǎn)生更好的結(jié)果，例如更高的強(qiáng)度和更輕的重量。典型的建筑材料由“單元格”構(gòu)成，這些單元格的排列使得它們都具有相同的方向，如具有重復(fù)節(jié)點(diǎn)和支柱的網(wǎng)格(類(lèi)似于金屬單晶的排列：格子中的節(jié)點(diǎn)等同于原子在單晶中，支柱相當(dāng)于原子鍵)。

雖然這種類(lèi)型的單晶材料非常適合高溫應(yīng)用，但它對(duì)抗機(jī)械應(yīng)力并不是那么好。當(dāng)材料過(guò)載時(shí)，可能出現(xiàn)局部的高應(yīng)力帶(“剪切帶”)，導(dǎo)致材料以裂縫的形式發(fā)生高度局部變形，最終導(dǎo)致坍塌。

該團(tuán)隊(duì)的研究報(bào)告“受水晶微觀結(jié)構(gòu)啟發(fā)的耐受損傷的建筑材料”發(fā)表在2019年1月7日的“自然”雜志上。

模仿金屬的晶體微結(jié)構(gòu)

金屬合金的晶格是獨(dú)特的結(jié)構(gòu)。在原子水平上，它們由相同類(lèi)型和方向的單元格組成，但是位于許多域中，每個(gè)域都包含與附近域的方向不同的晶格取向(與單晶布置不同)。來(lái)自倫敦帝國(guó)理工學(xué)院材料系和謝菲爾德大學(xué)的材料研究人員通過(guò)構(gòu)建一個(gè)格子單元格來(lái)找到一種模擬金屬和合金晶體微觀結(jié)構(gòu)的方法，該格子單元格由一個(gè)由支柱連接的有序節(jié)點(diǎn)排列組成。

使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)包，團(tuán)隊(duì)隨后能夠3D打印“偏晶”材料，使樣品比典型材料更耐開(kāi)裂和彎曲，但也更堅(jiān)固，更輕。該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)減小結(jié)構(gòu)內(nèi)每個(gè)顆粒狀晶格區(qū)域的尺寸，它可以增加元晶的強(qiáng)度。這些材料也可以以特定的預(yù)定結(jié)構(gòu)路徑引導(dǎo)損壞的方式產(chǎn)生，以最小化和停止損壞。

“我們的目標(biāo)是獲得高強(qiáng)度和輕質(zhì)材料，并能夠以理想的方式控制損傷，甚至直接損壞我們想要的特定位置，然后通過(guò)某些機(jī)械機(jī)制來(lái)阻止損壞，”Minh博士說(shuō)。倫敦帝國(guó)理工學(xué)院材料系助理教授Son Pham告訴設(shè)計(jì)新聞。

該技術(shù)可用于制造具有所需特性的多功能材料的零件和部件，例如，可以在不犧牲安全性的情況下減輕重量并提高車(chē)輛的燃料效率，或者消除應(yīng)力遮擋問(wèn)題的矯形裝置更好地重新加熱骨骼。其他應(yīng)用可能包括人造臀部，運(yùn)動(dòng)頭盔，車(chē)輛中更好的防撞區(qū)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)或渦輪葉片中的風(fēng)扇葉片。

Crystal Lattice Architecture多次強(qiáng)化材料

為了研究的目的，該團(tuán)隊(duì)使用熔融沉積模型，還原聚合和粉末床融合創(chuàng)建樣品。迄今為止，研究人員已經(jīng)印刷了三種類(lèi)型的聚合物，以及包括316L鋼和Ti6Al4V在內(nèi)的金屬。原則上，印刷的格子可以用各種材料制成，包括鎢，鎳合金甚至生物材料。基本上，如果它是可印刷的，可以在其上使用晶格方法來(lái)多次增加建筑材料的強(qiáng)度。Pham博士告訴設(shè)計(jì)新聞，這不僅是關(guān)于增加強(qiáng)度，而且還通過(guò)調(diào)整晶格方向來(lái)控制對(duì)零件的任何損壞。

“”順序“(格子)因域而異;但是在域內(nèi)，晶格取向是均勻的，或者是多晶取向的。我們正在開(kāi)發(fā)一個(gè)計(jì)算平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)多向晶格的最佳強(qiáng)度，“Pham博士說(shuō)。

目前，該技術(shù)是一種創(chuàng)造復(fù)雜和定制組件的有前途的方法，這些組件不需要大量生產(chǎn)，但具有高附加值，例如醫(yī)療設(shè)備或飛機(jī)的昂貴部件。該團(tuán)隊(duì)還認(rèn)為，創(chuàng)建結(jié)晶金屬合金的新方法將導(dǎo)致新的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算研究，以提高對(duì)通過(guò)改變?cè)У膬?nèi)在微觀結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)的介觀結(jié)構(gòu)所提供的可能性的理解。

“這種方法將提供一種獨(dú)特的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)3D打印的全部潛力，”Pham博士說(shuō)。

展望未來(lái)，研究人員希望利用這項(xiàng)技術(shù)開(kāi)發(fā)出一種輕質(zhì)，機(jī)械堅(jiān)固且智能的新型材料。

Tracey Schelmetic畢業(yè)于康涅狄格州費(fèi)爾菲爾德的費(fèi)爾菲爾德大學(xué)，并開(kāi)始在Appleton&Lange擔(dān)任技術(shù)和科學(xué)作家兼編輯。后來(lái)，作為電信行業(yè)期刊Customer Interaction Solutions(今日的客戶(hù)雜志)的編輯總監(jiān)，她成為了聯(lián)絡(luò)中心行業(yè)公認(rèn)的代言人。如今，她是一名自由撰稿人，專(zhuān)門(mén)從事制造業(yè)，技術(shù)，電信和企業(yè)軟件。