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Ultraleichte, druckfeste, zugfeste Metamaterialien, 25-fache Verformbarkeit

2021-11-19

Der katastrophale Zusammenbruch von Materialien und Strukturen ist das unvermeidliche Ergebnis einer Kettenreaktion lokal begrenzter Schäden, von fester Keramik, die kleine Risse erzeugt, bis hin zu Metall-Raumfachwerken, die nach Bildung kleiner Risse schnell zerfallen.

In einer diese Woche in Advanced Materials veröffentlichten Studie beschrieben Ingenieure der University of California, Irvine and Georgia Institute of Technology die Schaffung neuer mechanischer Metamaterialien, die Verformungen nicht lokalisieren können, um ein Versagen zu verhindern. Sie taten dies mit Tensegrity (einem jahrhundertealten Konstruktionsprinzip), bei dem isolierte starre Stangen in ein flexibles Seilnetz integriert wurden, um eine sehr leichte, selbstspannende Fachwerkstruktur zu erzeugen.

Ultraleichte, druckfeste, zugfeste Metamaterialien, 25-fache Verformbarkeit

Das neue Spannungsmetamaterial, das von Forschern der UCI und des Georgia Institute of Technology entwickelt wurde, verwendet isolierte Druckringelemente, die nur durch ein kontinuierliches Netzwerk von Zuggliedern (hervorgehoben in Magenta) verbunden sind.

Das Team begann mit einem Durchmesser von 950 Nanometern und nutzte eine fortschrittliche Technologie zum direkten Laserschreiben, um Basiszellen mit Größen zwischen 10 und 20 Mikrometer zu erzeugen. Sie werden zu achtzelligen Superzellen zusammengebaut, die mit anderen Zellen zu einer durchgehenden Struktur zusammengesetzt werden können. Anschließend führten die Forscher Computermodelle und Laborexperimente durch und beobachteten, dass diese Strukturen ein einzigartiges, gleichmäßiges Verformungsverhalten ohne lokale Überbeanspruchung oder Unterbeanspruchung zeigten.

Das Forscherteam zeigte, dass die Verformbarkeit des neuen Metamaterials um das 25-fache erhöht wird und die Energieabsorptionsrate um mehrere Größenordnungen höher ist als bei der neuesten Gitteranordnung.

Lorenzo Valdevit, leitender Co-Autor von Uren, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der UCI, sagte, dass Spannungsstrukturen seit Jahrzehnten untersucht werden, insbesondere im Kontext des architektonischen Designs. In vielen biologischen Systemen wurden kürzlich Spannungsstrukturen entdeckt. Vor einigen Jahren hat unser Co-Autor, Julian Rimoli vom Georgia Institute of Technology, theoretisch nur richtige periodische Spannungsgitter konzipiert, aber durch dieses Projekt haben wir diese Metamaterialien realisiert Die erste physikalische Realisierung und Leistungsdemonstration von.

Im Vergleich zu den beiden anderen neuesten nanoskaligen Strukturen zeigte das von Forschern des UCI und des Georgia Institute of Technology (Mitte) erstellte Spannungsgitter eine 25-fache Zunahme der Verformbarkeit und eine Zunahme der Energieabsorption um eine Größenordnung.

Bei der Entwicklung einer strukturellen Konfiguration für einen planetarischen Lander entdeckte das Forschungsteam des Georgia Institute of Technology, dass ein spannungsbasiertes Fahrzeug starken Verformungen oder Knicken seiner einzelnen Komponenten standhalten kann, ohne zu kollabieren, was bei anderen Strukturen noch nie vorgekommen ist. .

Rimoli, Professor für Luftfahrttechnik am Georgia Institute of Technology, erklärte: Dies brachte uns auf die Idee, Metamaterialien nach denselben Prinzipien zu erstellen, was uns zur Entdeckung des ersten 3D-Spannungsmetamaterials führte.

Möglich wird dies durch neuartige additive Fertigungsverfahren. Die extrem leichten und stabilen, steifen traditionellen Strukturen, die auf mikrometergroßen Fachwerken und Gittern basieren, haben großes Interesse bei Ingenieuren geweckt, da sie schwerere Objekte in Flugzeugen, Windturbinenblättern und vielen anderen Objekten ersetzen können. Das Potenzial fester Materie. Obwohl diese fortschrittlichen Materialien viele wünschenswerte Eigenschaften haben, können sie wie jedeLager Struktur, erleiden unter Überlastung immer noch katastrophale Schäden.

Der Hauptautor der UCI-Forschung für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik, Jens Bauer, erklärte, dass bei bekannten nanostrukturierten Materialien das Versagen normalerweise mit einer stark lokalisierten Verformung beginnt. Schubbänder, Oberflächenrisse und Ausbeulungen von Wänden und Pfeilern in einem Bereich können eine Kettenreaktion auslösen, die zum Einsturz der gesamten Struktur führt.

Er erklärte, dass beim Ausknicken des Druckelements das Gitter des Fachwerks zu kollabieren begann, weil das unter Spannung stehende Fachwerk es nicht tragen konnte. In der Regel sind diese Teile an gemeinsamen Knoten miteinander verbunden, sodass sich der Schaden im Fehlerfall schnell über die Struktur ausbreitet.

Im Gegensatz dazu bilden die Druckglieder der Zugstruktur eine geschlossene Schleife, die voneinander isoliert und nur durch das Zugglied verbunden ist. Daher kann sich die Instabilität von Druckelementen nur über den Zugbelastungspfad ausbreiten, und wenn sie nicht brechen, erfahren sie keine Instabilität. Drücken und ziehen Sie das Spannsystem nach unten, und die gesamte Struktur wird gleichmäßig komprimiert, um lokale Schäden zu vermeiden, sonst kommt es zu katastrophalen Schäden.

Laut Valdevit, der auch Professor für Maschinenbau und Luftfahrt an der UCI ist, weisen zugfeste Metamaterialien eine beispiellose Widerstandsfähigkeit gegen Zerstörung, eine extrem hohe Energieaufnahme, Verformbarkeit und Festigkeit auf und übertreffen alle anderen Arten. Die neueste Leichtbauweise.

Diese Forschung liefert eine wichtige Grundlage für die Gestaltung fortschrittlicher technischer Systeme, von wiederverwendbaren Aufprallschutzsystemen bis hin zu adaptiven Tragstrukturen.

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