Forskud kunne muliggøre nye højtydende materialer

En ingeniørfysikprofessor ved University of Wisconsin – Madison har skabt nye materialer, der opfører sig på en usædvanlig måde, der trodser den standardteori, ingeniører bruger til at designe ting som bygninger, flyvemaskiner, broer og elektroniske apparater.

Det er et fremskridt, der kan åbne døren for at designe nye materialer til applikationer, der kræver høj sejhed - f.eks. flyvinger, der er mere brudbestandige.

Den klassiske elasticitetsteori fungerer godt til at forudsige opførsel af de fleste almindelige materialer, herunder stål, aluminium og beton, og sikre, at strukturer kan modstå mekaniske kræfter uden at bryde eller deformere for meget. Men for nogle materialer, teorien er begrænsende.

Roderic Lakes og kandidatstuderende Zachariah Rueger brugte 3D-tryk til at lave deres nye polymergittermaterialer. Deres design - det mønster, hvor materialernes polymerstrimler er arrangeret - er en gentagende krydsende struktur. Når den er snoet eller bøjet, en stang af denne polymergitter er cirka 30 gange stivere end forventet baseret på klassisk elasticitetsteori.

Wisconsin -forskerne beskrev deres nye gittermaterialer i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve den 8. februar kl. 2018.

Udførelse af målinger i laboratoriet, Søer fastslog, at materialernes adfærd var i overensstemmelse med Cosserat -elasticitet, en mere beskrivende teori om elasticitet, der tager højde for størrelsen af ​​den underliggende struktur i et materiale.

"Når du har et materiale med understruktur i det, såsom nogle skum, gitter og fiberforstærkede materialer, der er mere frihed i det, end den klassiske elasticitetsteori kan håndtere, "Lakes siger." Så vi studerer materialers frihed til at opføre sig på måder, som ikke er forudset af standardteorien. "

Denne øgede frihed giver en potentiel vej til at skabe nye materialer, der er immune over for stresskoncentration; med andre ord, materialer med forbedret sejhed. Sådanne materialer ville være nyttige til en række forskellige anvendelser, herunder at gøre flyvinger mere modstandsdygtige over for revner.

Hvis der dannes en revne i en flyvinge, stress er koncentreret omkring revnen, gør vingen svagere. "Du har brug for en vis stress for at bryde noget, men hvis der er en revne i det, du kan bryde det med mindre stress, "Siger søer.

Brug af Cosserat -teorien om elasticitet til at informere materialedesign vil give hårdere materialer, hvor spændinger fordeles gennem materialerne forskelligt, ifølge søer.

De samme virkninger er til stede i materialer som knogler og visse typer skum. Imidlertid, når ingeniører laver skum til en sædehynde, for eksempel, de har ikke meget kontrol over skumets understruktur - de små bobler, der danner og udgør cellerne inde i skummet. Som resultat, de har begrænset evne til at skræddersy Cosserat -effekterne.

I modsætning til skum, UW – Madison -forskerne kan indstille Cosserat -effekterne i deres gittermaterialer og gøre dem meget stærke.

"Vi udviklede et materiale, hvor vi har usædvanligt detaljeret kontrol over den fine struktur af vores gitter, og det gjorde det muligt for os at opnå meget stærke effekter, når vi bøjede og vrider materialet, "Siger søer.