3D列印技術 材料結構新創意＝新型高性能材料

圖片來源：威斯康星大學麥迪遜分校的Roderic Lakes

如圖所示：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，如圖所示的材料聚合物條的排列方式可以增加其強度和耐久性。

威斯康星大學麥迪遜分校的一位工程物理學教授創造出了一種新型材料，這種新材料的表現方式與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標準理論表現方式不同。

這是一項技術的進步，對於那些需要高韌性材料的領域，其打開了設計新型材料的大門。舉個例子，這項技術可能用於製造出抗斷裂能力更強的飛機機翼。

經典的彈性理論適用於預測大多數普通材料（例如鋼，鋁和混凝土）的行為，並確保其結構能承受住機械力的同時又不會發生太大變形或者遭到太多破壞。但對於其他類型的材料，這種經典彈性理論解釋是有限的。

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。當它扭曲或彎曲時，這種聚合物晶格條的硬度比經典彈性理論所預期的硬度要高30倍。

威斯康星大學的研究人員於2018年2月8日將關於這一新晶格材料的科研成果發表在了「Physical Review Letters」雜誌中。

在實驗室進行測量時，Roderic Lakes確定材料的行為與Cosserat彈性理論一致，Cosserat彈性理論是一個更具描述性的彈性理論，它考慮到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，通常它們比經典彈性理論能夠處理的自由度更大。」 Roderic Lakes說。「所以我們正在研究材料的自由行為，而不是僅僅關注依靠於標準理論所推導出的行為方式。」

這種增加的自由度為科研人員開發出對應力集中不敏感的新材料提供了潛在途徑;換句話說，這種韌性改善的材料可用於各種應用，其中就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，使機翼變得十分脆弱。我們需要一定的壓力來打破某些東西。不過對於我們研發的這種新型材料，如果它有裂縫，我們可以用較小的壓力來打破它。」 Roderic Lakes說。

根據Roderic Lakes的數據顯示，使用Cosserat彈性理論來指導材料的設計，將有助於生產出更加強硬的材料，且應力能夠均勻分布在整個材料中。

這些類似的效果存在於骨頭和某些類型的泡沫等材料中。然而，當工程師為座墊製造泡沫時，他們對泡沫的底層結構（泡沫內部形成和組成泡孔的微小氣泡）沒有太多的控制。因此，他們的這一工作達不到Cosserat彈性理論的效果。

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效應並使這種效應得到充分彰顯。

「我們開發了一種材料，我們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。」 Roderic Lakes說。

文章來自phys網站，原文題目為Advance could enable novel high-performance materials，由材料科技在線匯總整理。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！