Materialegradienter kunne styrke polymerkomponenter

Kombinationen af ​​fleksible og stive materialer har givet bambus et styrke-til-vægt-forhold, der konkurrerer med stål. Gradvis overgang fra et blødt til et hårdt stof gør det muligt for den squishy blæksprutte at skære byttet op med stiv, sakse-lignende næb.

Med hjælp fra en ny model, der er udviklet i fællesskab på University of Nebraska-Lincoln, disse to udviklingsorienterede principper kunne i sidste ende gøre det muligt for ingeniører at fordoble eller tredoble styrken af ​​polymerbaserede komponenter.

Naturlig udvælgelse har ofte favoriseret integration af fleksible og stive materialer, fordi de kan fungere bedre sammen – modstå større kræfter, understøtter tungere byrder - end de gør alene. Disse fordele kommer især frem, når materialerne kan optage samme plads, som de gør i interpenetrerende polymernetværk:to eller flere sæt af molekylære netværk, der væver sig gennem hinanden uden faktisk at forbinde.

Men at få mest muligt ud af disse netværk betyder også at variere forholdet mellem hårdt og blødt på tværs af rummet, skabe en gradient. Mens et forhold på 70-30 måske fungerer bedst på ét sted, 50-50 eller 30-70 kunne være ideelt i en anden.

Så Nebraska, Franske og kinesiske forskere raffinerede en model, der kan kortlægge en optimal gradient på en struktur, mens de beregner, hvor meget denne gradient forbedrer strukturens ydeevne.

"Normalt, når du blander ting, de skilles, " sagde model medskaber Mehrdad Negahban, professor i maskin- og materialeteknik i Nebraska. "Du kan tænke på det som en ø af ét materiale og et hav af et andet materiale.

"Øen og det hav har en grænse, og det viser sig at være et materiales svageste side. Så to materialer vil i det væsentlige fejle … hvor de er forbundet. Men hvis du gennemtrænger dem, du har ikke disse svage grænser."

Holdet demonstrerede sin model ved at analysere trækstyrken - i det væsentlige en modstand mod at blive trukket fra hinanden - af en plade med et lille hul i midten. Først målte forskerne styrken af ​​en plade lavet udelukkende af epoxy, en stiv polymer bedst kendt som et klæbemiddel. Da deres model optimerede en gradient af epoxy gennemtrængt med acrylat - en svagere, mere fleksibel polymer - de fandt ud af, at pladens trækstyrke næsten blev tredoblet. Ligeledes, et L-formet beslag så dens trækstyrke fordoblet, efter at modellen plottede dens optimale epoxy-acrylat gradient.

"Vi ændrer blandingen, men den samlede vægt er omtrent den samme, " sagde Negahban. "Bare ved at lægge de rigtige ting på det rigtige sted, vi kan få det til pludselig at fungere meget, meget bedre – dvs. den yder væsentligt bedre end den stærkere komponent.

"Dette kunne gå begge veje. Du kan bruge dette enten til at reducere vægten eller øge den bæreevne."

På et grundlæggende plan, holdets model fungerer ved at overlejre en struktur med et gitter på op til flere hundrede noder. Den tildeler derefter et forhold mellem givne materialer til hver knude i gitteret, beregne, hvordan den resulterende gradient påvirker strukturens samlede styrke.

"Det vil den gøre millioner af gange, indtil den finder den (permutation), der kan bære den højeste belastning, " sagde Negahban.

Fra nu af, Negahban sagde, gennemtrængende polymernetværk er vanskelige faktisk at fremstille. Fremkomsten af ​​3-D-print har antydet en potentiel tilgang til at bygge komponenter fra netværkene, selvom der stadig er arbejde, før ingeniører nemt kan sammenflette polymerer på molekylær skala.

Men Negahban sagde, at det sandsynligvis kun er et spørgsmål om tid, før en teknik dukker op for at drage større fordel af den model, han og hans kolleger har fremsat.

"Folk kommer med forskellige ideer til, hvordan man (inkorporerer) dem, " sagde han. "Jeg tror, ​​det vil ske."

Negahban og hans kolleger detaljerede deres model i journalen Materialer og design .