Titaniumbaseret metamateriale låser styrke ud over naturen.

Et banebrydende titaniummetamateriale med uovertruffen styrke og alsidighed kunne revolutionere fremstillingen og højhastigheds luftfart.

Et let, højstyrke titaniummateriale er konstrueret, der kan føre til stærkere medicinsk udstyr og innovativt køretøjs- og rumfartøjsdesign. Forskningsteamet brugte en fælles titanlegering, ti -6 al -4 V, til at konstruere "metamaterialet", et udtryk, der bruges til at beskrive et kunstigt materiale, der besidder unikke egenskaber, der ikke er observeret i naturen - meta betyder " ud over "på græsk.

Mange sådanne komplicerede og overraskende stærke strukturer findes i naturen som Victoria Water Lily. Indfødt til Sydamerika er dette gigantiske flydende blad stærk nok til at støtte en voksen på grund af den unikke gitterstruktur i dens årer.

Strukturerne af menneskeskabte materialer kan designes til at efterligne disse planter og andre naturlige porøse materialer som koral, med forskellige gitter, der spænder fra enkle terninger til komplekse dodecahedroner. Porerne i disse gitterstrukturer sammenkobler, danner kanaler. Kendt som "cellulære" materialer kommer disse gittermaterialer ofte med en styrkeudveksling, hvis de ikke er designet korrekt, ifølge RMIT -forskerne.

"Metal 3D -udskrivning er imidlertid en spiludveksler, der giver forskere mulighed for at designe og fremstille meget innovativt lys og stærke cellulære metaller," sagde Jordan Noronha, en ph.d. Kandidat, der arbejdede på projektet på RMIT.

I cellulære materialer er gitter forbundet i tre dimensioner med tynde, faste stænger eller bjælker kaldet stivere. Ved at bruge hule stivere i stedet havde forskerne sigte på at fremstille et cellulært materiale med lav densitet lige så stærkt som en solid metallisk legering med en lignende densitet som højstyrke magnesiumlegeringer.

Udskrivning af metamaterialet

Forskerteamet ledet af Ma Qian, en professor ved RMITs Center for Additive Manufacturing, brugte en 3D -udskrivningsproces kaldet "Laser Powder Bed Fusion" til at fremstille titaniummetamaterialer. Denne teknik, der konstruerer et materielt lag for lag ved hjælp af en højdrevet laserstråle, bruges ofte til at fremstille komplekse produktionsdele fra mindre end en millimeter op til næsten to meter i størrelse.

Qian forklarede sit holds tilgang. "For det første er hele gitter -metamaterialprøven designet som en digital model. Derefter skives denne model digitalt i mange tynde lag ved hjælp af et softwareværktøj."

"Denne lagbaserede fremstillingsproces involverer lasersmeltning af metalpulvere, hurtig størkning af det flydende metal (de smeltede metalpulvere) og gentagne opvarmnings- og afkølingsprocesser i det størknede metal," uddybede han.

Qian siger, at hele processen i øjeblikket tager omkring 18 timer, men gennem optimering planlægger han og hans team at forkorte tidsrammen i fremtiden.

Hvad gør materialet så stærkt?

Hule stivere og tynde plader er de to topologier, der er ansvarlige for metamaterialets høje styrke. I modsætning til de fleste cellulære materialer, der indeholder svage punkter, hvor stress koncentrerer sig, fordeler disse to komplementære gitter jævnt stress, mens de yder støtte.

"Ideelt set bør stresset i alle cellulære materialer spredes jævnt," forklarede Qian. "For de fleste topologier er det imidlertid almindeligt for mindre end halvdelen af ​​materialet at hovedsageligt bære trykbelastningen, mens det større volumen af ​​materiale er strukturelt ubetydeligt."

"Dette multi-topologiske design fremmer også afbøjningen af ​​revnestier for at forbedre sejheden," tilføjede han. "I stedet for revnerne, der forekommer direkte gennem gitteret, der forekommer i de fleste cellulære materialer, i vores tyndplade-hule-stærkt gittertopologi, arbejder spærene og pladerne sammen for at aflede revnerne langs en længere sti."

Magnesiumlegeringer bruges i øjeblikket i kommercielle anvendelser, der kræver høj styrke og letvægt. Sammenlignet med den stærkeste støbte magnesiumlegering tilgængelig (WE54) er en prøve af titaniummetamaterialet med en sammenlignelig densitet meget stærkere. Magnesiumlegeringer er heller ikke tilgængelige for laserpulverbedfusion eller 3D -udskrivning på grund af fordampningen af ​​pulveret, hvilket giver titanlegeringen en produktionsfordel.

Næste trin og potentielle applikationer

Inden materialet er kommercialiseret, ønsker Qian og hans team først at sikre, at materialet fungerer med sin maksimale effektivitet.

For at gøre dette planlægger de at forbedre deres nuværende design for at styrke og lette deres titaniummetamaterialer endnu mere. Baseret på numeriske simuleringer vil de for eksempel justere andelen af ​​tynde plader til hule stivere for at muliggøre en mere ensartet stressfordeling gennem hele strukturen.

Ifølge forskerne, hvis metamaterialet er fremstillet af en høj-temperatur titaniumlegering, kan det bruges ved temperaturer op til 600 grader. Denne funktion sammen med dens korrosionsmodstand gør det materiale, der er egnet til brug i højhastighedsflyvende fly eller missiler, som skal være i stand til at modstå den intense varme, der genereres af deres høje hastigheder. Titaniumdroner, der bruges til nøje at overvåge eller bekæmpe ildebrande, ville også drage fordel af metamaterialets lette vægt, styrke og varmemodstand.

Da metamaterialet også er biokompatibelt, kan det også bruges i medicinsk udstyr, såsom knoglerimplantater. Teknologien er dog endnu ikke bred tilgængelig på dette tidspunkt, så dens vedtagelse af industrien kan tage nogen tid. "Vores vigtigste begrænsning er eksklusiviteten af ​​vores teknologi, og udgifterne til fabrikation kan være en anden vigtig bekymring," sagde Qian.

"Traditionelle fremstillingsprocesser er ikke praktiske til fremstilling af disse komplicerede metammaterialer, og ikke alle har en laserpulverbedfusionsmaskine i deres lager," tilføjede han. "Efterhånden som teknologien udvikler sig, vil den blive mere tilgængelig, hvilket gør det muligt for et større publikum at implementere vores højstyrke-metamaterialer med multi-topology i deres komponenter."