Skaller og grapefrugter inspirerer til først fremstillet ikke-skærbart materiale

Ingeniører har hentet deres inspiration fra skaller og grapefrugter til at skabe, hvad de siger er det første fremstillede ikke-skærbare materiale.

Dette nye materiale, som kunne bruges i sikkerheds- og sundheds- og sikkerhedsindustrien, kan vende et skæreværktøjs kraft tilbage på sig selv.

Det lette materiale-opkaldt Proteus efter den formændrende mytiske gud-er lavet af keramiske kugler indkapslet i en cellulær aluminiumsstruktur, der i test ikke kunne skæres af vinkelslibere, boremaskiner eller højtryksvandstråler.

Et internationalt forskerhold, ledet af Durham University, Storbritannien, og Fraunhofer Institute for Machine Tools and Forming Technology IWU i Chemnitz i Tyskland, fik ideen til det nye materiale fra grapefrugtens hårde cellulære hud og bløddyrs resistente skaller.

Abalone havdyr er bygget af fliser, der er forbundet med et biopolymermateriale, der gør dem modstandsdygtige over for brud. For at modstå de mest voldelige tvangsindgangsværktøjer, organiske materialer såsom aragonitfliser - fundet i bløddyrskaller - blev i det nye materiale erstattet med industrielle, aluminiumoxidkeramik og en aluminium, metallisk skummatrix.

Det nye materiale er stærkt, let og ikke-skærbar. Forskerne siger, det kunne bruges til at lave cykellåse, let rustning og i beskyttelsesudstyr til folk, der arbejder med skæreværktøjer.

Resultaterne er offentliggjort i tidsskriftet Videnskabelige rapporter .Det nye materialesystem er dynamisk med en udviklende intern struktur, der skaber højhastighedsbevægelse, hvor det interagerer med skæreværktøjerne. Den dynamiske reaktion ligner mere levende strukturer.

Materialet er fremstillet af en cellulær aluminiumsstruktur, der er viklet omkring keramiske kugler, og dette har en dobbelt destruktiv effekt på skæreværktøjer. Når den skæres med en vinkelsliber eller boremaskine, vibrationerne, der skabes af de keramiske kugler inde i kabinettet, stumper skæreskiven eller borekronen.

Samspillet mellem disken og den keramiske sfære skaber en sammenlåsning, vibrationsforbindelse, der modstår skæreværktøjet på ubestemt tid.

Bladet er gradvist eroderet, og til sidst gøres ineffektiv, da diskens eller borets kraft og energi vendes tilbage på sig selv, og det svækkes og ødelægges af sit eget angreb.

Ud over, keramikfragmentet til fine partikler, som fylder materialets cellestruktur og hærder, når skæreværktøjets hastighed øges på grund af interatomiske kræfter mellem de keramiske korn. På denne måde afviser materialets adaptive karakter yderligere ethvert angreb.

Vandstråler viste sig også at være ineffektive, fordi de buede overflader på de keramiske kugler udvider strålen, hvilket reducerer hastigheden betydeligt og svækker dens skærekapacitet.

Hovedforfatter Dr. Stefan Szyniszewski, Lektor i anvendt mekanik, i Institut for Ingeniørvidenskab, Durham University, sagde:"Vi var fascineret af, hvordan grapefrugtens cellulære struktur og flisebelagte struktur af bløddyrskaller kan forhindre beskadigelse af frugten eller væsenerne indeni, på trods af at de er lavet af relativt svage organiske byggesten.

"Disse naturlige strukturer informerede arbejdsprincippet for vores metallisk-keramiske materiale, som er baseret på dynamisk interaktion med den påførte belastning, i modsætning til passiv modstand.

"Grundlæggende er det at skære vores materiale som at skære igennem en gelé fyldt med nuggets. Hvis du kommer igennem geléen, rammer du nuggets, og materialet vil vibrere på en sådan måde, at det ødelægger skæreskiven eller borekronen.

"Keramikken, der er indlejret i dette fleksible materiale, er også lavet af meget fine partikler, som stivner og modstår vinkelsliberen eller borer, når du skærer i hastighed på samme måde, som en sandsæk ville modstå og stoppe en kugle ved høj hastighed.

"Dette materiale kan have masser af nyttige og spændende applikationer inden for sikkerheds- og sikkerhedsindustrien. Faktisk er vi er ikke bekendt med noget andet fremstillet ikke-skærbart materiale, der eksisterer fra nu af. "

Undersøg medforfatter Dr. Miranda Anderson, Filosofisk Institut, University of Stirling sagde:"Fordi vores materialesystems vellykkede modstand kræver, at det gennemgår interne transformationer, vi valgte navnet Proteus.

"I 1605, Francis Bacon sammenlignede naturlige materialer med Proteus, der 'nogensinde har ændret former', og han argumenterede for, at vi gennem eksperimentering kan afsløre materialernes metamorfe kvaliteter. "

Dr. Szyniszewski tilføjede:"Det er det, vi har opnået med dette nye materiale, og vi er begejstrede for dets potentiale."

Forskerne har patentanmeldt på deres materialeteknologi, og de håber at arbejde med branchepartnere, så det kan udvikles til produkter til markedet.