Design af et fleksibelt materiale til at beskytte bygninger, militært personel

Stealth teknologi, ideen om at reducere fjendens evne til at opdage en genstand, har drevet fremskridt inden for militær forskning i årtier. I dag, fly, flådeskibe og ubåde, missiler og satellitter er ofte dækket af radarabsorberende materiale, såsom maling, at skjule eller skjule dem fra radar, sonar, infrarøde og andre detektionsmetoder. En kappe er et belægningsmateriale, der gør et objekt umuligt at skelne fra dets omgivelser eller ikke kan detekteres ved eksterne feltmålinger.

Guoliang Huang, James C. Dowell professor ved Institut for Mekanisk og Luftfartsteknik, sagde, at disse typer tildækningsmaterialer er modne, i teknisk forstand, fordi egenskaberne ved akustisk (radar, sonar) og optiske bølger (infrarøde) er velforståede. Imidlertid, Huang sagde, at lidt eller intet arbejde er lykkedes med at løse problemet med tilsløring for elastiske bølger i faste medier, såsom en seismisk bølge, der forplanter sig gennem jorden. For nylig, Huang, sammen med sin tidligere postdoc og studerende adjunkt Hussein Nassar og forskningsadjunkt Yangyang Chen, har designet og skabt et nyt metamateriale, et kunstigt struktureret materiale, der opnår "perfekt" elastisk materialekappe.

"Dette materiale er både teoretisk og eksperimentelt - vi skabte det i vores laboratorium, " sagde Huang. "Vi kalder det 'polært materiale', fordi vi indså, at det har internt drejningsmoment. Vi er de første til at foreslå principperne for dette materiale og også de første til at designe og fremstille dette materiale. Konceptet er, hvis du har en genstand, du vil gøre usynlig, du designer en form for belægningsmateriale omkring objektet, så når en bølge rammer objektet, hvis passerer rundt om materialet uden brydning."

For eksempel, en radar genererer en radarbølge, en akustisk bølge, der brydes, når den rammer en ubåd, gør det synligt. Men hvis den sub er belagt med et tilsløringsmateriale, radarbølgen vil ikke bryde, og sub'en kan ikke detekteres.

"Hvis du vil skjule noget i solide medier, dette er anderledes, " sagde Huang. "I solide medier, bølgen er mere kompliceret end radarbølgen, fordi vi i faste medier ikke kun har en kompressionsbølge, men vi har også en forskydningsbølge. I civilingeniør, vi beskæftiger os med jordskælv - seismiske bølger, som har langsgående og forskydningsbølger, og det meste af skaden er forårsaget af forskydningsbølgen."

Grundlæggende gennembrud

Huang sagde, at der ikke er noget naturligt materiale, der opfylder det langvarige problem med transformation-invarians, hvor ikke-standardegenskaber er nødvendige efter visse transformationer. Han sagde, at det ultimative formål med hans forskning er at modellere, designe og fremstille materialer, der vil udfylde denne "adfærdsmæssige kløft". Den nye klasse af tilsløring eller polære materialer, som hans team skabte, er sammensat af et funktionelt sorteret gitter indlejret i en isotropisk kontinuum baggrund. Lagene blev 3-D printet og manuelt samlet.

"Vi undersøgte eksperimentelt og numerisk egenskaberne af den foreslåede kappe og fandt meget god tildækningsevne under både træk- og forskydningsbelastninger, "Huang skrev i sin avis, en af ​​to forskningsartikler Huang og hans team havde offentliggjort af Physical Review of Letters om emnet polære materialer.

Ud over at beskytte strukturer mod seismiske bølger, Huang sagde, at en anden potentiel anvendelse af det nye metamateriale ville være at undertrykke vibrationer på motorer for at reducere støj.

"Ingen har været i stand til at designe et perfekt tildækningsmateriale i elastiske medier i 20 år, indtil vi producerede dette nye materiale, " sagde Huang. "For os, det er et grundlæggende gennembrud. Vi brugte 3-D-print til at lave dette materiale til nemme laboratoriedemonstrationer, men dette princip kunne bruges med ethvert materiale. Metamateriale er et struktureret materiale - egenskaberne realiseres gennem strukturen."

"De resultater, som University of Missouri-teamet for nylig har offentliggjort, er opmuntrende, " sagde Dr. Dan Cole, programleder, Hærens forskningskontor, et element af U.S. Army Combat Capabilities Development Command's Army Research Laboratory. "Denne forskning kan føre til nye strategier til at styre mekaniske bølger væk fra kritiske områder i faste genstande, som kunne muliggøre nye kapaciteter inden for soldaterbeskyttelse og manøvrer."

Studierne, "Polar Metamaterials:A New Outlook on Resonance for Cloaking Applications" og "Physical Realization of Elastic Cloaking with a Polar Material, " blev offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve , et tidsskrift fra American Physical Society.