metamaterial ที่ใช้ไทเทเนียมปลดล็อคความแข็งแรงเกินธรรมชาติ
metamaterial ไทเทเนียมที่ก้าวล้ำที่มีความแข็งแรงและความเก่งกาจสามารถปฏิวัติการผลิตและการบินความเร็วสูง
วัสดุไทเทเนียมที่มีน้ำหนักเบาและมีความแข็งแรงสูงได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมซึ่งอาจนำไปสู่อุปกรณ์การแพทย์ที่แข็งแกร่งขึ้นและการออกแบบยานพาหนะและยานพาหนะที่เป็นนวัตกรรมและยานอวกาศ ทีมวิจัยใช้โลหะผสมไทเทเนียมทั่วไป ti -6 al -4 v เพื่อสร้าง "metamaterial" คำที่ใช้อธิบายวัสดุประดิษฐ์ที่มีคุณสมบัติที่ไม่ซ้ำกัน เกินกว่า "ในภาษากรีก
โครงสร้างที่ซับซ้อนและแข็งแกร่งเช่นนี้มีอยู่ในธรรมชาติเช่นเดียวกับลิลลี่น้ำวิคตอเรีย มีถิ่นกำเนิดในอเมริกาใต้ใบไม้ขนาดมหึมานี้มีความแข็งแรงพอที่จะสนับสนุนผู้ใหญ่เนื่องจากโครงสร้างตาข่ายที่เป็นเอกลักษณ์ของเส้นเลือด
โครงสร้างของวัสดุที่มนุษย์สร้างขึ้นสามารถออกแบบมาเพื่อเลียนแบบพืชเหล่านี้และวัสดุที่มีรูพรุนธรรมชาติอื่น ๆ เช่นปะการังที่มีขัดแตะแตกต่างกันตั้งแต่ก้อนง่ายไปจนถึง dodecahedrons ที่ซับซ้อน รูขุมขนในโครงสร้างตาข่ายเหล่านี้เชื่อมต่อกันสร้างช่องทาง เป็นที่รู้จักกันในนามวัสดุ "เซลลูลาร์" วัสดุขัดแตะเหล่านี้มักจะมาพร้อมกับการแลกเปลี่ยนความแข็งแรงหากไม่ได้ออกแบบอย่างเหมาะสมตามที่นักวิจัย RMIT
“ อย่างไรก็ตามการพิมพ์โลหะ 3 มิติเป็นตัวเปลี่ยนเกมทำให้นักวิจัยสามารถออกแบบและประดิษฐ์โลหะที่มีนวัตกรรมและโลหะที่แข็งแรงสูง ผู้สมัครที่ทำงานในโครงการที่ RMIT
ในวัสดุเซลลูลาร์ขัดแตะเชื่อมต่อกันในสามมิติด้วยแท่งบาง ๆ ที่เป็นของแข็งหรือคานที่เรียกว่า struts ด้วยการใช้เสากลวงแทนนักวิจัยมีจุดมุ่งหมายที่จะสร้างวัสดุเซลลูลาร์ที่มีความหนาแน่นต่ำเช่นเดียวกับโลหะผสมโลหะที่มีความหนาแน่นคล้ายกับโลหะผสมแมกนีเซียมที่มีความแข็งแรงสูง
การพิมพ์ metamaterial
ทีมวิจัยนำโดย Ma Qian ศาสตราจารย์ที่ RMIT's Center for Additive Manufacturing ใช้กระบวนการพิมพ์ 3 มิติที่เรียกว่า เทคนิคนี้ซึ่งสร้างชั้นวัสดุโดยเลเยอร์โดยใช้ลำแสงเลเซอร์ที่ใช้พลังงานสูงมักใช้เพื่อเตรียมชิ้นส่วนการผลิตที่ซับซ้อนจากน้อยกว่าหนึ่งมิลลิเมตรถึงเกือบสองเมตร
Qian อธิบายวิธีการของทีมของเขา "ก่อนอื่นตัวอย่าง metamaterial lattice ทั้งหมดได้รับการออกแบบเป็นแบบจำลองดิจิตอลจากนั้นรุ่นนี้จะถูกตัดเป็นแบบดิจิทัลเป็นชั้นบาง ๆ หลายชั้นโดยใช้เครื่องมือซอฟต์แวร์"
"กระบวนการผลิตที่ใช้เลเยอร์นี้เกี่ยวข้องกับการละลายเลเซอร์ของผงโลหะการแข็งตัวอย่างรวดเร็วของโลหะเหลว (ผงโลหะละลาย) และกระบวนการทำความร้อนและความเย็นซ้ำ ๆ ของโลหะแข็งตัว" เขาอธิบายอย่างละเอียด
Qian กล่าวว่ากระบวนการทั้งหมดใช้เวลาประมาณ 18 ชั่วโมง แต่ด้วยการเพิ่มประสิทธิภาพเขาและทีมของเขาวางแผนที่จะลดระยะเวลาในอนาคต
อะไรทำให้วัสดุแข็งแรงมาก?
เสากลวงและแผ่นบาง ๆ เป็นสองทอพอโลยีที่รับผิดชอบต่อความแข็งแรงสูงของ metamaterial ซึ่งแตกต่างจากวัสดุเซลลูลาร์ส่วนใหญ่ซึ่งมีจุดอ่อนที่ความเครียดเข้มข้นทั้งสองขัดทั้งสองนี้จะกระจายความเครียดอย่างสม่ำเสมอในขณะที่ให้การสนับสนุน
“ ตามหลักการแล้วความเครียดในวัสดุมือถือทั้งหมดควรแพร่กระจายอย่างสม่ำเสมอ” Qian อธิบาย "อย่างไรก็ตามสำหรับทอพอโลยีส่วนใหญ่มันเป็นเรื่องธรรมดาสำหรับวัสดุน้อยกว่าครึ่งหนึ่งที่จะแบกรับแรงอัดเป็นหลักในขณะที่ปริมาณวัสดุที่ใหญ่กว่านั้นไม่มีนัยสำคัญเชิงโครงสร้าง"
“ การออกแบบหลายหัวข้อนี้ยังส่งเสริมการเบี่ยงเบนของเส้นทางรอยแตกเพื่อเพิ่มความทนทาน” เขากล่าวเสริม "แทนที่จะเป็นรอยแตกที่เกิดขึ้นโดยตรงผ่านตาข่ายซึ่งเกิดขึ้นในวัสดุเซลลูลาร์ส่วนใหญ่ในโทโพโลยีตาข่ายแบบกลวงแบบบาง ๆ ของเราเสาและเพลททำงานร่วมกันเพื่อเบี่ยงเบนรอยแตกตามเส้นทางที่ยาวขึ้น"
โลหะผสมแมกนีเซียมถูกใช้ในการใช้งานเชิงพาณิชย์ที่ต้องการความแข็งแรงและน้ำหนักเบา เมื่อเทียบกับโลหะผสมแมกนีเซียมที่แข็งแกร่งที่สุด (WE54) ตัวอย่างของ metamaterial ไทเทเนียมที่มีความหนาแน่นเทียบเท่านั้นแข็งแกร่งกว่ามาก โลหะผสมแมกนีเซียมยังไม่สามารถตอบสนองต่อการฟิวชั่นเตียงผงเลเซอร์หรือการพิมพ์ 3 มิติเนื่องจากการระเหยของผงทำให้โลหะผสมไทเทเนียมได้เปรียบในการผลิต
ขั้นตอนต่อไปและแอปพลิเคชันที่มีศักยภาพ
ก่อนที่วัสดุจะถูกนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ Qian และทีมงานของเขาต้องการให้แน่ใจว่าวัสดุมีประสิทธิภาพสูงสุด
ในการทำเช่นนี้พวกเขาวางแผนที่จะปรับปรุงการออกแบบในปัจจุบันของพวกเขาเพื่อเสริมสร้างและทำให้ metamaterials ไทเทเนียมของพวกเขาสว่างขึ้นมากยิ่งขึ้น ตัวอย่างเช่นขึ้นอยู่กับการจำลองเชิงตัวเลขพวกเขาจะปรับสัดส่วนของแผ่นบาง ๆ ให้เป็นเสากลวงเพื่อให้มีการกระจายความเครียดที่สม่ำเสมอมากขึ้นตลอดทั้งโครงสร้าง
ตามที่นักวิจัยระบุว่าหากมีการประดิษฐ์ metamaterial จากโลหะผสมไทเทเนียมอุณหภูมิสูงก็สามารถใช้ที่อุณหภูมิสูงถึง 600 องศา คุณสมบัตินี้พร้อมกับความต้านทานการกัดกร่อนทำให้วัสดุเหมาะสำหรับใช้ในเครื่องบินหรือขีปนาวุธความเร็วสูงซึ่งจะต้องทนต่อความร้อนที่รุนแรงที่เกิดจากความเร็วสูง โดรนไทเทเนียมที่ใช้ในการตรวจสอบหรือต่อสู้กับไฟป่าอย่างใกล้ชิดก็จะได้รับประโยชน์จากน้ำหนักเบาความแข็งแรงและความต้านทานความร้อนของ metamaterial
เนื่องจาก metamaterial ยังเข้ากันได้ทางชีวภาพจึงสามารถใช้ในอุปกรณ์การแพทย์เช่นการปลูกถ่ายกระดูก อย่างไรก็ตามเทคโนโลยียังไม่สามารถใช้ได้อย่างกว้างขวางในขั้นตอนนี้ดังนั้นการยอมรับจากอุตสาหกรรมอาจใช้เวลาสักครู่ “ ข้อ จำกัด ที่สำคัญที่สุดของเราคือความพิเศษของเทคโนโลยีของเราและค่าใช้จ่ายในการผลิตอาจเป็นข้อกังวลที่สำคัญอีกประการหนึ่ง” Qian กล่าว
“ กระบวนการผลิตแบบดั้งเดิมไม่ได้ใช้งานได้จริงสำหรับการผลิตวัสดุที่ซับซ้อนเหล่านี้และไม่ใช่ทุกคนที่มีเครื่องฟิวชั่นผงเลเซอร์ในคลังสินค้าของพวกเขา” เขากล่าวเสริม "อย่างไรก็ตามเมื่อเทคโนโลยีพัฒนาขึ้นมันจะสามารถเข้าถึงได้มากขึ้นทำให้ผู้ชมจำนวนมากสามารถใช้ metamaterials หลายกลุ่มที่มีความแข็งแรงสูงของเราในส่วนประกอบของพวกเขา"