Meta Crystals使材料更加堅固和輕盈

一群英國研究人員通過模仿強金屬合金中更不規(guī)則的微尺度晶體結構，找到了一種方法來制造更耐受損傷的結構材料。一群英國研究人員通過模仿強金屬合金中更不規(guī)則的微尺度晶體結構，找到了一種方法來制造更耐受損傷的結構材料。這一突破可能讓位于具有全新特性的材料，例如更高的強度，更輕的重量以及抵抗材料應力損壞的能力。

在材料科學中，以建筑材料的形式模仿自然通?？梢援a(chǎn)生更好的結果，例如更高的強度和更輕的重量。典型的建筑材料由“單元格”構成，這些單元格的排列使得它們都具有相同的方向，如具有重復節(jié)點和支柱的網(wǎng)格(類似于金屬單晶的排列：格子中的節(jié)點等同于原子在單晶中，支柱相當于原子鍵)。

雖然這種類型的單晶材料非常適合高溫應用，但它對抗機械應力并不是那么好。當材料過載時，可能出現(xiàn)局部的高應力帶(“剪切帶”)，導致材料以裂縫的形式發(fā)生高度局部變形，最終導致坍塌。

該團隊的研究報告“受水晶微觀結構啟發(fā)的耐受損傷的建筑材料”發(fā)表在2019年1月7日的“自然”雜志上。

模仿金屬的晶體微結構

金屬合金的晶格是獨特的結構。在原子水平上，它們由相同類型和方向的單元格組成，但是位于許多域中，每個域都包含與附近域的方向不同的晶格取向(與單晶布置不同)。來自倫敦帝國理工學院材料系和謝菲爾德大學的材料研究人員通過構建一個格子單元格來找到一種模擬金屬和合金晶體微觀結構的方法，該格子單元格由一個由支柱連接的有序節(jié)點排列組成。

使用計算機輔助設計包，團隊隨后能夠3D打印“偏晶”材料，使樣品比典型材料更耐開裂和彎曲，但也更堅固，更輕。該團隊發(fā)現(xiàn)，通過減小結構內每個顆粒狀晶格區(qū)域的尺寸，它可以增加元晶的強度。這些材料也可以以特定的預定結構路徑引導損壞的方式產(chǎn)生，以最小化和停止損壞。

“我們的目標是獲得高強度和輕質材料，并能夠以理想的方式控制損傷，甚至直接損壞我們想要的特定位置，然后通過某些機械機制來阻止損壞，”Minh博士說。倫敦帝國理工學院材料系助理教授Son Pham告訴設計新聞。

該技術可用于制造具有所需特性的多功能材料的零件和部件，例如，可以在不犧牲安全性的情況下減輕重量并提高車輛的燃料效率，或者消除應力遮擋問題的矯形裝置更好地重新加熱骨骼。其他應用可能包括人造臀部，運動頭盔，車輛中更好的防撞區(qū)，航空發(fā)動機或渦輪葉片中的風扇葉片。

Crystal Lattice Architecture多次強化材料

為了研究的目的，該團隊使用熔融沉積模型，還原聚合和粉末床融合創(chuàng)建樣品。迄今為止，研究人員已經(jīng)印刷了三種類型的聚合物，以及包括316L鋼和Ti6Al4V在內的金屬。原則上，印刷的格子可以用各種材料制成，包括鎢，鎳合金甚至生物材料?；旧?，如果它是可印刷的，可以在其上使用晶格方法來多次增加建筑材料的強度。Pham博士告訴設計新聞，這不僅是關于增加強度，而且還通過調整晶格方向來控制對零件的任何損壞。

“”順序“(格子)因域而異;但是在域內，晶格取向是均勻的，或者是多晶取向的。我們正在開發(fā)一個計算平臺，以實現(xiàn)多向晶格的最佳強度，“Pham博士說。

目前，該技術是一種創(chuàng)造復雜和定制組件的有前途的方法，這些組件不需要大量生產(chǎn)，但具有高附加值，例如醫(yī)療設備或飛機的昂貴部件。該團隊還認為，創(chuàng)建結晶金屬合金的新方法將導致新的實驗和計算研究，以提高對通過改變元晶的內在微觀結構和設計的介觀結構所提供的可能性的理解。

“這種方法將提供一種獨特的方式來實現(xiàn)3D打印的全部潛力，”Pham博士說。

展望未來，研究人員希望利用這項技術開發(fā)出一種輕質，機械堅固且智能的新型材料。

Tracey Schelmetic畢業(yè)于康涅狄格州費爾菲爾德的費爾菲爾德大學，并開始在Appleton&Lange擔任技術和科學作家兼編輯。后來，作為電信行業(yè)期刊Customer Interaction Solutions(今日的客戶雜志)的編輯總監(jiān)，她成為了聯(lián)絡中心行業(yè)公認的代言人。如今，她是一名自由撰稿人，專門從事制造業(yè)，技術，電信和企業(yè)軟件。