先進技術可使新型高性能材料成為可能

【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】威斯康星大學麥迪遜分校的一位工程物理學教授創造了新材料，這種新材料的表現方式與標準理論工程師用於設計建築物，飛機，橋樑和電子設備等設計時所採用的方式不同。這是一項進步，可以為需要高韌性的應用設計新型材料的大門，例如抗斷裂能力更強的飛機機翼。經典彈性理論適用於預測大多數普通材料（包括鋼，鋁和混凝土）的行為，並確保結構能承受機械力而不會破壞或變形太多。但對於一些材料，理論是有限的。Roderic Lakes和研究生Zachariah Rueger使用3D列印技術製作新的聚合物晶格材料。他們的設計材料聚合物條排列的模式，是重複的十字交叉結構。

重複十字交叉結構的格子設計。根據UW-Madison工程研究人員的說法，材料聚合物條的排列方式可以增加強度和耐久性。圖片版權：RODERIC LAKES

當它扭曲或彎曲時，這種聚合物晶格的條棒比根據經典彈性理論所預期的要高30倍。威斯康辛州的研究人員在2018年2月8日的「 物理評論快報 」雜誌中描述了他們的新晶格材料。在實驗室進行測量時，Lakes確定材料的行為與Cosserat彈性一致，這是一個更具描述性的彈性理論，它考慮了材料中底層結構的大小。如果你有一種具有底層結構的材料，比如一些泡沫，格子和纖維增強材料，那麼它比經典彈性理論能夠處理的自由度更大，所以我們正在研究材料的自由行為，而不是標準理論所預期的方式。這種增加的自由度提供了創造對應力集中不敏感的新材料的潛在途徑; 換句話說，韌性改善的材料。這種材料可用於各種應用，包括使飛機機翼更能抵抗裂紋。

如果飛機機翼出現裂縫，則應力集中在裂縫周圍，使機翼更弱。你需要一定的壓力來打破某些東西，但如果它有裂縫，可以用較小的壓力來打破它。根據Lakes的數據，使用Cosserat 彈性理論來指導材料設計將產生更加強硬的材料，其中應力分布在整個材料中。這些相同的效果存在於骨頭和某些類型的泡沫等材料中。然而例如當工程師為座墊製造泡沫時，他們對泡沫的底層結構沒有太多的控制，泡沫內部形成和組成泡孔的微小氣泡。因此他們的裁剪Cosserat效果的能力有限。與泡沫形成鮮明對比的是，威斯康星大學麥迪遜分校的研究人員可以在其晶格材料中調整Cosserat效應並使其非常強大。對格子的精細結構進行了非常詳細的控制，這使我們能夠在彎曲和扭轉材料時獲得非常強大的效果。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：物理評論快報

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：威斯康星大學麥迪遜分校

編譯：光量子

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

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