Британские ученые напечатали на 3D-принтере из стали и пластика метаматериалы, чья макроскопическая структура похожа на кристаллические решетки сплавов и сталей после процедуры повышения прочности, которая обычно используются в металлургии. Эксперименты показали, что поведение таких материалов сходно с поведением упрочненных кристаллических решеток, и они оказываются значительно прочнее материалов с другой структурой.
Одна из важнейших задач материаловедения – создание легких материалов, не уступающих по прочности сплавам металлов и сталям. С изобретением 3D-печати появилась возможность создавать сложнейшие геометрические схемы.
Ученые под руководством Мин Сон Фама (Minh-Son Pham) из Имперского колледжа Лондона воспользовались этой технологией для создания трехмерных микроструктурированных материалов, которые в миллиметровых масштабах повторяли структуру кристаллической решетки металлов. Такие материалы создавали и раньше, но они обладали прочностью только против одного направления приложения давления, так как все ячейки были ориентированы одинаково. Теперь ученые создали и протестировали конструкцию, состоящую из участков таких «кристаллов», которые были ориентированы по разным направлениям относительно соседних. При таком расположении «зерен», границы между доменами предотвращали смещение вдоль плоскости скольжения решетки и придавали таким образом дополнительную прочность материалам.
Они смоделировали и напечатали конструкции из повторяющихся элементарных ячеек кубических гранецентрированной (ГЦК) и объемноцентрированной (ОЦК) и гранецентрированной тетрагональной решеток, которые повторяли кристаллические решетки разных сплавов и сортов стали, но с ячейками размером в несколько миллиметров. При этом они воспроизвели особенности, которые возникают под действием разных методов упрочнения металлических конструкций.
Авторы воспроизвели три таких способа – использование закона Холла-Петча, модификация и укрепление за счет отличий кристаллических фаз. С помощью соотношения Холла-Петча они рассчитали размеры и ориентации зерен кристаллов одной структуры, обеспечивающие наибольшую прочность материала, и создали куб (со стороной 40 миллиметров) из таких зерен.
— Регулярная проверка качества ссылок по более чем 100 показателям и ежедневный пересчет показателей качества проекта.
— Все известные форматы ссылок: арендные ссылки, вечные ссылки, публикации (упоминания, мнения, отзывы, статьи, пресс-релизы).
— SeoHammer покажет, где рост или падение, а также запросы, на которые нужно обратить внимание.
SeoHammer еще предоставляет технологию Буст, она ускоряет продвижение в десятки раз, а первые результаты появляются уже в течение первых 7 дней. Зарегистрироваться и Начать продвижение
Второй способ предполагает создание ориентированной по одному направлению структуры решетки, но включающей элементарные ячейки другой структуры. Авторы статьи включили несколько гранецентрированных тетрагональных решеток в матрицу ГЦК решеток.
Третий способ совмещает предыдущие два – конструируется структура, состоящая из решеток разных типов, которые по-разному ориентированы друг относительно друга. В качестве материалов, исследователи использовали нержавеющую сталь и полиактид (полимерный материал, который часто используют для печати трехмерных изделий).
В некоторых случаях при деформации атомы перестраиваются, образуя новые кристаллические решетки. Материаловеды создали структуру, напоминающую решетку Креслинга, имитирующую переход к гексагональной плотнейшей упаковке (ГПУ) при перемещении узлов. Под нагрузкой такая конструкция сжималась, а потом возвращалась в исходное положение. Энергия распределялась лучше, структура не разрушалась.
Изменяя положение узлов в подобных конструкциях, можно создавать материалы, способные распределять лишнее напряжение и возвращаться в исходное недеформированное состояние.
Ученые экспериментально показали схожесть поведения кристаллических структур и метаматериалов, созданных по их подобию, и эффективность применения методов металлургии к макромасштабным конструкциям. Авторы предполагают, что сочетание предложенных способов укрепления на разных уровнях (микро-, мезо- и макро- масштабах) позволит создавать особенно прочные и легкие материалы, которые могут быть использованы даже в авиации.
С помощью подходов, предложенных британскими учеными, становится возможным печатать материалы с заданной эластичностью, прочностью и массой, которые можно использовать для строительстве крупных объектов.
- 331 просмотр
Добавить комментарий