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新型超轻、抗压张拉整体超材料,研究表明百年设计原则如何成为克服失败的途径
2021年07月26日    阅读量:7563    新闻来源:合亚嗒资讯网 heyada.com  |  投稿

材料和结构的灾难性倒塌是局部有限损坏连锁反应的必然结果——从在出现小裂缝后断裂的固体陶瓷到在单个支柱翘曲后让位的金属空间桁架。


在本周发表在Advanced Materials 上的一项研究中,加州大学欧文分校和佐治亚理工学院的工程师描述了一种新型机械超材料的创造,这些超材料可以使变形离域以防止失效。他们通过转向张拉整体来做到这一点,这是一种具有百年历史的设计原则,其中孤立的刚性杆被集成到一个灵活的系绳网中,以产生非常轻的、自张紧的桁架结构涂料在线coatingol.com


新型超轻、抗压张拉整体超材料,研究表明百年设计原则如何成为克服失败的途径 合亚嗒资讯网,heyada.com


从 950 纳米直径的成员开始,该团队使用复杂的直接激光写入技术生成大小在 10 到 20 微米之间的基本细胞。这些被构建成八个单元的超级电池,可以与其他超级电池组装成一个连续的结构。研究人员随后进行了计算建模和实验室实验,并观察到这些结构表现出独特的均匀变形行为,没有局部过应力或未充分利用。


该团队表明,与最先进的晶格排列相比,新型超材料的变形能力提高了 25 倍,能量吸收增加了一个数量级。


“张拉整体结构已经研究了几十年,特别是在建筑设计的背景下,它们最近在许多生物系统中被发现,”高级合著者、UCI 材料科学与工程教授 Lorenzo Valdevit 说,他是该项目的负责人。建筑材料集团。“仅在几年前,我们在佐治亚理工学院的合著者 Julian Rimoli 才在理论上概念化了适当的周期性张拉整体晶格,但通过这个项目,我们已经实现了这些超材料的首次物理实现和性能演示。”


在为行星着陆器开发结构配置时,佐治亚理工学院团队发现,基于张拉整体的飞行器可以承受其单个组件的严重变形或屈曲而不会倒塌,这是其他结构中从未观察到的。


“这给了我们创造利用相同原理的超材料的想法,这使我们发现了有史以来第一个 3D 张拉整体超材料,”佐治亚理工学院航空航天工程教授 Rimoli 解释说。


通过新型增材制造技术,基于微米级桁架和晶格的极其轻巧但坚固且刚性的传统结构成为可能,因为它们有可能取代飞机、风力涡轮机叶片和许多其他应用。尽管拥有许多令人向往的品质,但这些先进材料与任何承重结构一样,如果超载,仍然容易遭受灾难性破坏。


“在熟悉的纳米结构材料中,失效通常始于高度局部变形,”第一作者、UCI 机械和航空航天工程研究科学家 Jens Bauer 说。“剪切带、表面裂缝以及墙壁和支柱在一个区域的屈曲会引起连锁反应,导致整个结构倒塌。”


他解释说,当受压构件弯曲时,桁架格子开始坍塌,因为受拉构件不能。通常,这些部件在公共节点互连,这意味着一旦发生故障,损坏会迅速蔓延到整个结构。


相比之下,张拉整体结构的受压构件形成闭环,彼此隔离并且仅通过受拉构件连接。因此,受压构件的不稳定性只能通过拉伸载荷路径传播,只要它们不破裂,就不会经历不稳定性。向下推张拉整体系统,整个结构均匀压缩,防止局部损坏,否则会导致灾难性故障。


根据也是 UCI 机械和航空航天工程教授的 Valdevit 的说法,张拉整体超材料展示了前所未有的抗破坏性、极高的能量吸收、可变形性和强度的组合,其性能优于所有其他类型的最先进的轻量级架构。


“这项研究为设计卓越的工程系统提供了重要的基础,从可重复使用的冲击保护系统到自适应承重结构


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