Feltresponsive mekaniske metamaterialer (FRMM'er)

I en nylig undersøgelse offentliggjort i Videnskabens fremskridt , materialeforskere Julie A. Jackson og kolleger præsenterede en ny klasse af materialearkitektur kaldet feltresponsive mekaniske metamaterialer (FRMM). FRMM'erne udviser dynamisk kontrol og on-the-fly tunability til at designe og vælge konstruktionens sammensætning og struktur. Typisk, egenskaber ved mekaniske metamaterialer programmeres og indstilles, når arkitekturen designes og konstrueres, uden at ændre sig som reaktion på skiftende eksterne miljøforhold eller applikationer derefter. De forskellige karakteristika ved FRMM'er blev først demonstreret ved at udskrive komplekse strukturer af polymerrør fyldt med magnetoreologiske (MR) væskesuspensioner for at tillade fjerntliggende magnetiske felter at styre materialerne. Derfor, forskerne observerede hurtigt, reversible og betydelige ændringer af den effektive stivhed i de nye metamaterialekonstruktioner.

Syntetiske materialer efterligner ofte cellulære strukturer såsom tænder, knogler og fuglenæb i naturen for at gentage deres fremragende styrke og sejhed i forhold til tæthed. Avancerede materialer er biokonstrueret til at efterligne stokastiske (tilfældige) cellulære strukturer i form af polymerer og metalskum til strukturelle og funktionelle applikationer. Naturen kan også skabe periodiske arkitekturer ved evolutionært design, hvor ordnede cellulære strukturer udkonkurrerer de stokastiske modstykker som set med defensive panserskaller og daktylkøller i krebsdyr. I laboratoriet, additive fremstillingsteknikker og 3-D-print bruges til at konstruere cellulære strukturer med nano-, mikro-, meso- og makroskalafunktioner, der udviser unikke kombinationer af mekaniske, funktionelle og termiske egenskaber. Ofte omtalt som metamaterialer, strukturerne har vist innovative egenskaber, inklusive:

• Letvægts, alligevel stiv og stærk arkitektur i 3-D keramiske nanogitter
• Høj mekanisk modstandsdygtighed i grafen periodiske 3-D aerogel mikrogitter.
• Negativt Poisson-forhold i origami-baserede metamaterialer.
• Elastomekaniske "ufølbarhed"-kapper og usynlighedskapper
• Multimateriale layouts med negative termiske udvidelseskoefficienter.

Disse materialer kombinerer to eller flere kontrasterende egenskaber for unikke egenskaber, men deres arkitektur forbliver fast i tiden efter fabrikation. Som resultat, materialerne kan ikke reagere og tilpasse sig skiftende ydre forhold. Tilpasselige og responsive materialer udvikles i stigende grad via 4-D-print, hvor den fjerde dimension repræsenterer tid, i øjeblikket fremstår som et nyt forskningsområde inden for materialevidenskab.

Udtrykket 4-D repræsenterer 3-D-printede materialer, der kan ændre form eller funktion som reaktion på eksterne forhold eller stimuli, inklusive mekanisk kraft, hævelse og magnetiske felter. De eksisterende demonstrationer, imidlertid, mangler deterministisk kontrol af mekaniske egenskaber eller udviser langsom kinetik for de tilsigtede kemiske transformationer. I nærværende undersøgelse, Jackson et al., afsløre en ny klasse af feltresponsive mekaniske metamaterialer (FRMM), der er 3-D printet for at udstille programmerbare, forudsigelig, reversible og kontrollerede mekaniske egenskaber i hurtig reaktion på et fjerntliggende magnetfelt.

De 3-D-printede hule polymerrør eller stivere, der danner byggestenene i gitter, blev fyldt med magnetoreologiske (MR) væskesuspensioner. Forskerne brugte LAPµSL-systemet til brugerdefineret lag-for-lag 3-D-print ved at projicere UV-lysmønstre på en fotohærdbar harpiks for at konstruere 3-D-strukturer fra en stak 2-D-billeder. For konsistens, de gentog en tidligere etableret protokol om mikrostereolitografi. MR-væskerne indeholdt ferromagnetiske mikropartikler i ikke-magnetiske væsker, der hurtigt kunne ændre viskositeten som reaktion på et påført magnetfelt. I mangel af et magnetfelt, MR-væsken var væskelignende i adfærd, med tilfældigt fordelte partikler, der strømmede frit for at danne en pool på et plant substrat. Når et magnetfelt blev påført, partiklerne rettede sig ind i kæder langs feltlinjerne og dannede en spikulær række af bladlignende strukturer, der lignede drypstensaflejringer. Væskeviskositeten steg monotont for at nå et mætningsplateau ved en magnetisk feltstyrke på ~ 0,3 T.

I undersøgelsen, magneto-mekaniske tests blev udført med kompression og udliggerbøjning. Hver cylinder (stiver) var fyldt med kommercielt tilgængelig MR-væske, som bestod af 50 procent carbonyljernpartikler (i området fra 4 til 20 µm) i en carbonhydridpartikelstabilisatorolie. Hver magnetomekanisk test blev gentaget ved flere magnetiske feltstyrker, hvor feltet blev justeret parallelt med retningen af ​​påført kraft for at opnå en række kraft-forskydningskurver. Blandt de forskellige orienteringer, den effektive stivhed var størst, når det påførte felt var parallelt med kraftens retning. Testene blev brugt til at kalibrere modellen på niveau med en enkelt stiver og i sidste ende forudsige feltresponsen af ​​en større gitterarkitektur.

Forskerne brugte en standard kompositstråleteori, hvor analysen antog Euler-Bernoulli bøjningsteorien for at udlede en model af stiveren. Teorien omfattede den effektive elastiske stivhed af MR-væsken og elastiske stivhed af stivere (Youngs modul). Den analytiske model antog en lineær sammenhæng mellem den mekaniske styrke og stigningen i det magnetiske felt. Forsøgene blev holdt under tærskelværdien på 0,3 T, da MR-væsken tidligere blev observeret at mætte ved denne værdi.

Forskerne viste gennemførligheden af ​​fremstillingen og den mekaniske testmetode til mere komplekse arkitekturer ved 3-D-printning af cuboctahedron-enhedsceller ved hjælp af LAPµSL-processen. Enhedscellerne blev fjernet for enhver flydende præpolymerharpiks og injiceret med MR-væsken. Påfyldnings- (eller påfyldnings-) proceduren var vellykket, når strukturen blev orienteret for at forhindre indesluttede gasbobler.

Jackson et al. testede cuboctahedron-enhedscellerne i et brugerdefineret apparat ved at variere magnetens afstand til enhedscellestrukturen for at kontrollere magnetfeltstyrken. De beregnede forholdet mellem det effektive Youngs modul og enhedscellens magnetiske feltstyrke gennem kompressionstest. Responstiden blev målt ved den hastighed, hvormed de mekaniske egenskaber ændrede sig i materialet som reaktion på påføring eller fjernelse af et magnetfelt. Reversibiliteten af ​​de magnetomekaniske resultater blev også testet med en belastningsstyret måling, hvor cellen cyklede mellem felt til/fra tilstande, mens den var under 10 procent kompressionsbelastning. De magnetiske partikler gik hurtigere fra en tilstand af uorden til orden, når magnetfeltet blev påført.

Forskerne viste muligheden for at skabe et større område FRMM ved at printe et cuboctahedron-gitter med 2 gange 2 gange 2 arrangement af enhedsceller. For at fremstille prøverne, de drænede hule gitter blev injiceret med MR-væske som før, men i dette tilfælde med to sprøjter fastgjort til hver enhedscelle. Endnu engang, gitterets stivhedsrespons blev målt som en funktion af magnetfeltstyrken.

For at observere feltresponseffekten af ​​det mekaniske metamateriale gitter, forskerne placerede en statisk belastning på 10 g masse, med en starttilstand på 0,11 T maksimalt påført magnetfelt. Når magnetfeltet langsomt blev fjernet, den effektive stivhed faldt, at deformere gitteret under belastningen for at komprimere og bøje. Efter fuldstændig fjernelse af magneten, massen gled af gitteroverfladen for at vise den ændrede lastbærende evne. FRMM'erne kan ændre stivhed i et stresskontrolleret eksperiment, ved udelukkende at justere magnetfeltet. Arbejdet demonstrerede de første tunbare FRMM'er med et dynamisk område af hurtige og reversible mekaniske reaktioner som reaktion på fjernpåførte magnetiske felter.

Udviklingsprocessen er smidig og enkel til replikering, baseret på 3D-print, kombineret med kontrollerede væskeleveringsmetoder for at konstruere en ny klasse af mikroarkitektoniske mekaniske metamaterialer. Fremtidige FRMM'er kan være sammensat af aktive mikrofluidiske netværk til at regulere strømmen af ​​MR-væsker i mikrorum for tidsstyret tilgængelighed. Magnetisk formgivning kan øge retningskontrol til en række applikationer. Forskerne forestiller sig brugen af ​​FRMM'er i en bred vifte af nye applikationer, herunder blød robotteknologi, som hurtigt adaptive "kollisionssikre" hjelme til cyklister og som støjreducerende smarte wearables.

© 2018 Science X Network