Team skaber ny ultraletvægt, knusningsbestandige tensegrity-metamaterialer

Katastrofale sammenbrud af materialer og strukturer er den uundgåelige konsekvens af en kædereaktion af lokalt afgrænsede skader - fra solid keramik, der knækker efter udviklingen af ​​en lille revne, til metal-rumspær, der giver efter efter vridningen af ​​en enkelt stiver.

I en undersøgelse offentliggjort i denne uge i Avancerede materialer , ingeniører ved University of California, Irvine og Georgia Institute of Technology beskriver skabelsen af ​​en ny klasse af mekaniske metamaterialer, der delokaliserer deformationer for at forhindre fejl. De gjorde det ved at vende sig til anspændthed, et århundrede gammelt designprincip, hvor isolerede stive stænger er integreret i et fleksibelt net af tøjler for at producere meget lette, selvspændende truss strukturer.

Startende med 950 nanometer-diameter medlemmer, holdet brugte en sofistikeret direkte laserskrivningsteknik til at generere elementære celler i størrelsen mellem 10 og 20 mikron. Disse blev bygget op til otte-enheds superceller, der kunne samles med andre for at lave en kontinuerlig struktur. Forskerne udførte derefter beregningsmodellering og laboratorieeksperimenter og observerede, at konstruktionerne udviste en unik homogen deformationsadfærd fri for lokaliseret overbelastning eller underbrug.

Holdet viste, at de nye metamaterialer har en 25-fold forbedring i deformerbarhed og en stigning i energiabsorption i størrelsesordener i forhold til avancerede gitterarrangementer.

"Tensegritetsstrukturer er blevet undersøgt i årtier, især i forbindelse med arkitektonisk design, og de er for nylig blevet fundet i en række biologiske systemer, " sagde senior medforfatter Lorenzo Valdevit, en UCI-professor i materialevidenskab og teknik, der leder Architected Materials Group. "Korrekte periodiske tensegrity-gitter blev teoretisk konceptualiseret for kun et par år siden af ​​vores medforfatter Julian Rimoli ved Georgia Tech, men gennem dette projekt har vi opnået den første fysiske implementering og ydeevnedemonstration af disse metamaterialer."

Mens man udviklede strukturelle konfigurationer til planetariske landere, Georgia Tech-teamet opdagede, at tensegrity-baserede køretøjer kunne modstå alvorlige deformationer, eller knæk, af dets individuelle komponenter uden at kollapse, noget, der aldrig er observeret i andre strukturer.

"Dette gav os ideen om at skabe metamaterialer, der udnytter det samme princip, som førte os til opdagelsen af ​​det første 3D-tensegrity-metamateriale nogensinde, " forklarede Rimoli, professor i rumfartsteknik ved Georgia Tech.

Muliggjort af nye additive fremstillingsteknikker, ekstremt lette, men stærke og stive konventionelle strukturer baseret på spær og gitter i mikrometerskala har været af stor interesse for ingeniører for deres potentiale til at erstatte tungere, faste stoffer i fly, vindmøllevinger og en lang række andre applikationer. Selvom de besidder mange ønskværdige egenskaber, disse avancerede materialer kan – som enhver bærende struktur – stadig være modtagelige for katastrofale ødelæggelser, hvis de overbelastes.

"I velkendte nano-arkitekterede materialer, svigt starter normalt med en meget lokaliseret deformation, " sagde førsteforfatter Jens Bauer, en UCI-forsker i maskin- og rumfartsteknik. "Skærebånd, overflade revner, og knækning af vægge og stivere i ét område kan forårsage en kædereaktion, der fører til kollaps af en hel struktur."

Han forklarede, at bindingsgitter begynder at kollapse, når kompressionselementer spænder, da de i spænding ikke kan. Typisk, disse dele er indbyrdes forbundet ved fælles noder, betyder, at når man fejler, skader kan hurtigt spredes i hele strukturen.

I modsætning, de komprimerende elementer af tensegrity-arkitekturer danner lukkede sløjfer, isoleret fra hinanden og kun forbundet med trækelementer. Derfor, ustabilitet af trykelementer kan kun forplante sig gennem trækbelastningsbaner, som – forudsat at de ikke brister – ikke kan opleve ustabilitet. Tryk ned på et tensegrity-system, og hele strukturen komprimeres ensartet, forhindrer lokaliseret skade, der ellers ville forårsage katastrofale fejl.

Ifølge Valdevit, som også er professor i mekanik og rumfartsteknik ved UCI, tensegrity-metamaterialer demonstrerer en hidtil uset kombination af fejlmodstand, ekstrem energiabsorption, deformerbarhed og styrke, udkonkurrerer alle andre typer av state-of-the-art letvægtsarkitekturer.

"Denne undersøgelse giver et vigtigt grundlag for design af overlegne tekniske systemer, fra genanvendelige stødbeskyttelsessystemer til adaptive bærende konstruktioner, " han sagde.