据外媒报道,加州大学欧文分校(University of California, Irvine)和佐治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)的工程师们开发了一种新型机械超材料,可以防止变形和发生故障。他们采用了张拉整体的方法,这是一种历史长达百年的设计方法,将孤立的刚性杆集成至灵活的系索网状结构中,从而产生非常轻的自我张拉桁架结构物。

 

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(图片来源:ICU)

研究小组从950纳米直径的构件开始,通过一种复杂的直接激光写入技术,以产生大小在10-20微米之间的基本单元格。这些单元格被构建成具有8个单元的超级单元格,可与其他单元格组建连续性结构。接着,研究人员进行计算建模和室内实验,并观察到这些结构表现出独特的均匀变形行为,而且不存在局部过应力或使用不足现象。

 

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该团队发现,新型超材料的形变度提高了25倍。比起最先进的网格排列,其能量吸收能力成级数递增。研究人员Lorenzo Valdevit表示:“几十年来,对张拉整体结构的研究一直在进行。几年前,佐治亚理工学院的Julian Rimoli教授从理论上提出适当的周期性张拉整体网格概念。通过这个项目,我们首次实际研制出这些超材料,并进行了性能演示。”

 

在为行星着陆器开发结构配置时,佐治亚理工学院的团队发现,基于张拉整体的飞行器可以承受其单个部件的严重变形或弯曲,而不会发生坍塌,这是在其他结构中从未观察到的。研究人员Rimoli教授表示:“我们因此产生了利用同样原理制造超材料的想法,并发现了第一种3D张拉整体超材料。”

 

通过创新添加剂制造技术,超轻且坚固的传统结构基于微米级桁架和网格,在飞机、风力涡轮机叶片和其他许多应用中,具有取代较重固体物质的潜力,受到工程师们的密切关注。这些领先材料具有优异的特性,但与其他承重结构一样,如果超负载,仍然容易造成损坏。主要研究人员Jens Bauer表示:“在常见的纳米结构材料中,故障通常始于高度局部化变形。剪切带、表面上的裂缝以及在某一区域出现的壁体和支柱弯曲,会引起连锁反应,导致整个结构倒塌。”当受压构件弯曲时,受拉构件则不会,导致桁架网格开始倒塌。通常情况下,这些部件在公共节点上相互连接,只要其中一个发生故障,可能迅速蔓延至整个结构。

 

相反,张拉整体结构的受压构件形成闭合环路,彼此隔离,仅通过受拉构件连接。在这种情况下,受压构件的不稳定性只能通过拉伸载荷路径传递。如果它们没有发生断裂,就不会表现出不稳定性。向下推张拉整体系统,整个结构会均匀压缩,从而防止发生局部损坏,避免故障。

 

UCI研究人员Valdevit表示,张拉整体超材料表现出前所未有的抗故障性、极端能量吸收、形变度和强度,超过其他所有类型的领先轻质结构。“这项研究为设计先进工程系统提供了重要基础,比如可重复使用的冲击保护系统,以及自适应承重结构。”


来源:盖世汽车
作者:Elisha