Metamaterial pe bază de titan deblochează puterea dincolo de natură.
Un metamaterial de titan de ultimă generație, cu o rezistență și versatilitate inegalabile, ar putea revoluționa producția și aviația de mare viteză.
Un material de titan ușor, de înaltă rezistență, a fost conceput, care ar putea duce la dispozitive medicale mai puternice și proiecte inovatoare de vehicule și nave spațiale. Echipa de cercetare a folosit un aliaj de titan comun, ti -6 al -4 v, pentru a construi „metamaterial”, termen folosit pentru a descrie un material artificial care deține proprietăți unice care nu sunt observate în natură - Meta mijloace ” Dincolo de „în greacă.
Multe structuri atât de complexe și surprinzător de puternice există în natură, precum cea a crinului de apă Victoria. Nativ din America de Sud, această frunză plutitoare gigantică este suficient de puternică pentru a sprijini un adult din cauza structurii unice de zăbrele a venelor sale.
Structurile materialelor artificiale pot fi proiectate pentru a imita aceste plante și alte materiale poroase naturale, cum ar fi coralul, cu zăbrele diferite care variază de la cuburi simple la dodecaedri complexe. Porii din aceste structuri de zăpadă se interconectează, formând canale. Cunoscute sub numele de materiale „celulare”, aceste materiale de zăpadă vin adesea cu un compromis de forță, dacă nu sunt proiectate corect, potrivit cercetătorilor RMIT.
„Cu toate acestea, imprimarea metalică 3D este un schimbător de jocuri, care permite cercetătorilor să proiecteze și să fabrice metale celulare ușoare și puternice extrem de inovatoare”, a spus Jordan Noronha, un doctorat. Candidat care a lucrat la proiect la RMIT.
În materialele celulare, rețelele sunt conectate în trei dimensiuni prin tije subțiri, solide sau grinzi numite struturi. Folosind, în schimb, cercetătorii, cercetătorii au urmărit să facă un material celular de densitate mică la fel de puternică ca un aliaj metalic solid, cu o densitate similară cu aliajele de magneziu cu rezistență mare.
Tipărirea metamaterialului
Echipa de cercetare condusă de Ma Qian, profesor la Centrul RMIT pentru Fabricarea Aditivilor, a folosit un proces de imprimare 3D numit „Laser Powder Bed Fusion” pentru a fabrica metamaterialele din titan. Această tehnică, care construiește un strat de material prin strat folosind un fascicul laser cu putere mare, este utilizată în mod obișnuit pentru a pregăti piese de fabricație complexe de la mai puțin de un milimetru până la aproape doi metri.
Qian a explicat abordarea echipei sale. "În primul rând, întregul eșantion metamaterial de zăbrele este proiectat ca model digital. Apoi, acest model este tăiat digital în multe straturi subțiri folosind un instrument software."
"Acest proces de fabricație pe bază de straturi implică topirea cu laser a pulberilor metalice, solidificarea rapidă a metalului lichid (pulberi metalice topite) și procese repetate de încălzire și răcire a metalului solidificat", a elaborat el.
Qian spune că întregul proces durează în prezent în jur de 18 ore, dar prin optimizare, el și echipa sa intenționează să scurteze intervalul de timp în viitor.
Ce face materialul atât de puternic?
Struturile goale și plăcile subțiri sunt cele două topologii responsabile pentru rezistența mare a metamaterialului. Spre deosebire de majoritatea materialelor celulare, care conțin puncte slabe în care stresul se concentrează, aceste două zăbrele complementare distribuie uniform stresul, oferind în același timp sprijin.
„În mod ideal, stresul în toate materialele celulare ar trebui să fie răspândit uniform”, a explicat Qian. „Cu toate acestea, pentru majoritatea topologiilor, este comun ca mai puțin de jumătate din material să suporte în principal sarcina compresivă, în timp ce volumul mai mare de material este nesemnificativ din punct de vedere structural.”
„Acest design multi-topologie promovează, de asemenea, devierea căilor de fisură pentru a spori duritatea”, a adăugat el. „În loc de fisurile care apar direct prin zăbrele, care apar în majoritatea materialelor celulare, în topologia noastră cu zăbrele cu farfurie subțire, șuruburile și plăcile lucrează împreună pentru a devia fisurile pe o cale mai lungă”.
În prezent, aliajele de magneziu sunt utilizate în aplicații comerciale care necesită rezistență ridicată și ușoară. În comparație cu cel mai puternic aliaj de magneziu turnat disponibil (WE54), un eșantion de metamaterial de titan cu o densitate comparabilă este mult mai puternică. Aliajele de magneziu nu sunt, de asemenea, susceptibile pentru fuziunea cu pat laser sau imprimarea 3D din cauza vaporizării pulberii, oferind aliajului de titan un avantaj de fabricație.
Pașii următori și aplicațiile potențiale
Înainte ca materialul să fie comercializat, Qian și echipa sa doresc mai întâi să se asigure că materialul are o eficiență maximă.
Pentru a face acest lucru, intenționează să -și îmbunătățească designul actual pentru a -și consolida și ușura metamaterialele de titan și mai mult. De exemplu, pe baza simulărilor numerice, acestea vor ajusta proporția de plăci subțiri la straturi scobite pentru a permite o distribuție mai uniformă a stresului pe întreaga structură.
Potrivit cercetătorilor, dacă metamaterialul este fabricat dintr-un aliaj de titan la temperatură ridicată, acesta poate fi utilizat la temperaturi de până la 600 de grade. Această caracteristică, împreună cu rezistența sa la coroziune, face ca materialul să fie potrivit pentru utilizare în aeronave sau rachete zburătoare de mare viteză, care trebuie să poată rezista la căldura intensă generată de viteza lor mare. Dronele de titan folosite pentru a monitoriza îndeaproape sau a lupta împotriva incendiilor ar putea beneficia, de asemenea, de greutatea ușoară, rezistența și rezistența la căldură a metamaterialului.
Deoarece metamaterialul este, de asemenea, biocompatibil, acesta ar putea fi utilizat și în dispozitive medicale, cum ar fi implanturile osoase. Cu toate acestea, tehnologia nu este încă disponibilă pe scară largă în această etapă, astfel încât adoptarea sa de către industrie ar putea dura ceva timp. „Cea mai importantă limitare a noastră este exclusivitatea tehnologiei noastre, iar costul fabricării ar putea fi o altă preocupare importantă”, a declarat Qian.
„Procesele tradiționale de fabricație nu sunt practice pentru fabricarea acestor metamateriale metalice complexe și nu toată lumea are o mașină de fuziune cu laser cu pulbere în depozitul lor”, a adăugat el. „Cu toate acestea, pe măsură ce tehnologia se dezvoltă, va deveni mai accesibilă, permițând unui public mai mare să implementeze metamaterialele noastre multi-topologii de înaltă rezistență în componentele lor.”