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大自然如何激發用于飛機、建筑物和骨骼植入物的堅固、輕質材料
文章來源:賢集網     更新時間:2022-04-26 14:20:44
大自然如何激發用于飛機、建筑物和骨骼植入物的堅固、輕質材料普林斯頓 大學設計用于模仿骨頭、木材和其他天然材料,多孔物體比傳統產品更輕,可以戰略性地插入結構中,以在高需求區域提供更高的剛度。信用:保利諾等人來自普林斯頓研究實驗室的材料充滿了漏洞——但這是一件好事。設計用于模仿骨頭、木材和其他天然材料,多孔物體比傳統產品更輕,可以戰略性地插入結構中,以在高需求區域提供更高的剛度。這些多孔結構由普林斯頓大學和佐治亞理工學院的研究人員創建,具有旋節線微結構——特殊設計的孔網絡,可以調整以在宏觀尺度上實現優化行為。在 3 月 16 日在線發表在《先進材料》雜志上的一項新研究中,該團隊結合了這些旋節微結構的不同實現,設計和原型用于重建手術的面部植入物和用于飛機的堅硬、輕質部件。

未參與這項研究的特倫托大學固體和結構力學教授戴維德·比戈尼稱該結果為“突破”。他說:“作者找到了一種聰明的方法,可以讓不同建筑的區域之間連續過渡。這是仿生的終極概念,因為所有自然結構都形成連續系統。這是自古以來就為人所知的事實——‘natura non facit saltus'——大自然不會跳躍。”

許多天然材料,包括骨頭、動物角、木頭和沙元骨架,都充滿了孔洞??障妒共牧献冚p,在某些情況下,允許體液通過毛孔移動。在骨骼中,這些空間允許重塑過程,使骨骼或多或少地致密以響應物理需求。制造具有相似特性的合成材料一直是工程師面臨的挑戰。

在這項新研究中,研究人員通過設計具有不同尺寸、形狀和方向的孔的微結構來模仿這些天然材料。新對象被稱為建筑材料,它們具有基于材料和幾何關系的可定制性能。這些孔的形狀可以像球體(如沙元骨架中的那些)、鉆石(骨頭)、柱子(木頭)或扁豆(角)。研究人員可以通過改變形狀使材料在不同方向上具有剛度。他們通過改變孔的大小來控制材料的密度,并改變物體內孔的方向以增加應變區域的剛度。喬治亞理工學院的研究生、這項新研究的第一作者費爾南多·瓦斯康塞洛斯·達森霍拉說:“實際結構和微觀結構共同作用以獲得卓越的性能。”

為了展示潛在用途,研究人員設計并 3D 打印了一種面部植入物,例如用于修復車禍造成的嚴重面部損傷的那種。目前,外科醫生使用塑料或鈦制造多孔植入物,允許骨骼通過孔再生,但這些植入物不具有與旋節結構相同的可調性。研究人員將部分與圓柱狀和扁豆狀孔相結合,制造出一種足夠堅硬以承受咀嚼力的植入物,并具有合適大小的孔以促進骨骼生長和愈合。原型植入物由光聚合物樹脂制成,但它可以使用生物相容性材料進行 3D 打印,以供將來用于患者。

研究人員表示,該技術為使用多種不同類型的材料制造植入物打開了大門,因為幾何形狀和材料的結合使設計師能夠微調性能。該團隊結合了這些旋節微結構的不同實現,設計和原型用于重建手術的面部植入物和用于飛機的堅硬、輕質部件。信用:保利諾等人“更好的不是基礎材料。更好的是微觀特征,”喬治亞理工學院機械工程的合著者兼助理教授艾米麗桑德斯說。“理論上,我們可以用任何材料制造支架——最合適的是探索生物相容性材料。”

為了展示完全不同的用途,研究人員結合了三種類型的微結構來構建噴氣發動機支架——飛機的關鍵部件,它將發動機固定在適當的位置,并且必須既堅固又輕便。

“我們擁有一種非常強大的技術,它將材料架構與不同規模的優化相結合,并將其與增材制造相結合,”Margareta E. Augustine 工程學教授兼該項目的首席研究員 Glaucio Paulino 說。“從規?;囊饬x上說,它可以有廣泛的應用,因此它可以應用于納米和微觀技術,以及中尺度和宏觀尺度。”

材料成功的一個關鍵方面是在同一物體內從一種微結構無縫過渡到另一種微結構。在不連接孔隙網絡的情況下在微結構之間突然切換會導致材料沿接縫分裂。用旋節線微結構制成的材料也不太可能有弱點,因為孔是隨機出現的,而不是規則的圖案。

“一個主要部分是弄清楚如何利用制造平臺并[計算出]這些建筑材料的數學結構,然后將兩者聯系在一起,以便我們可以實際制造一些東西,”桑德斯說。

該團隊已經在探索微結構的其他用途。目前,該技術處于原型階段,但他們渴望更全面地測試材料的性能。“我有興趣了解這些建筑材料如何表現的基本問題,”桑德斯說。

原文鏈接:https://www.xianjichina.com/special/detail_509008.html
來源:賢集網
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