據(jù)外媒報(bào)道，加州大學(xué)歐文分校（University of California, Irvine）和佐治亞理工學(xué)院（Georgia Institute of Technology）的工程師們開發(fā)了一種新型機(jī)械超材料，可以防止變形和發(fā)生故障。他們采用了張拉整體的方法，這是一種歷史長(zhǎng)達(dá)百年的設(shè)計(jì)方法，將孤立的剛性桿集成至靈活的系索網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，從而產(chǎn)生非常輕的自我張拉桁架結(jié)構(gòu)物。
佐治亞理工學(xué)院，機(jī)械超材料，張拉整體，
?。▓D片來(lái)源：ICU）
研究小組從950納米直徑的構(gòu)件開始，通過(guò)一種復(fù)雜的直接激光寫入技術(shù)，以產(chǎn)生大小在10-20微米之間的基本單元格。這些單元格被構(gòu)建成具有8個(gè)單元的超級(jí)單元格，可與其他單元格組建連續(xù)性結(jié)構(gòu)。接著，研究人員進(jìn)行計(jì)算建模和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，并觀察到這些結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出獨(dú)特的均勻變形行為，而且不存在局部過(guò)應(yīng)力或使用不足現(xiàn)象。
佐治亞理工學(xué)院，機(jī)械超材料，張拉整體，
該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，新型超材料的形變度提高了25倍。比起最先進(jìn)的網(wǎng)格排列，其能量吸收能力成級(jí)數(shù)遞增。研究人員Lorenzo Valdevit表示：“幾十年來(lái)，對(duì)張拉整體結(jié)構(gòu)的研究一直在進(jìn)行。幾年前，佐治亞理工學(xué)院的Julian Rimoli教授從理論上提出適當(dāng)?shù)闹芷谛詮埨w網(wǎng)格概念。通過(guò)這個(gè)項(xiàng)目，我們首次實(shí)際研制出這些超材料，并進(jìn)行了性能演示?！?/p>
在為行星著陸器開發(fā)結(jié)構(gòu)配置時(shí)，佐治亞理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，基于張拉整體的飛行器可以承受其單個(gè)部件的嚴(yán)重變形或彎曲，而不會(huì)發(fā)生坍塌，這是在其他結(jié)構(gòu)中從未觀察到的。研究人員Rimoli教授表示：“我們因此產(chǎn)生了利用同樣原理制造超材料的想法，并發(fā)現(xiàn)了第一種3D張拉整體超材料。”
通過(guò)創(chuàng)新添加劑制造技術(shù)，超輕且堅(jiān)固的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)基于微米級(jí)桁架和網(wǎng)格，在飛機(jī)、風(fēng)力渦輪機(jī)葉片和其他許多應(yīng)用中，具有取代較重固體物質(zhì)的潛力，受到工程師們的密切關(guān)注。這些領(lǐng)先材料具有優(yōu)異的特性，但與其他承重結(jié)構(gòu)一樣，如果超負(fù)載，仍然容易造成損壞。主要研究人員Jens Bauer表示：“在常見的納米結(jié)構(gòu)材料中，故障通常始于高度局部化變形。剪切帶、表面上的裂縫以及在某一區(qū)域出現(xiàn)的壁體和支柱彎曲，會(huì)引起連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)倒塌?！碑?dāng)受壓構(gòu)件彎曲時(shí)，受拉構(gòu)件則不會(huì)，導(dǎo)致桁架網(wǎng)格開始倒塌。通常情況下，這些部件在公共節(jié)點(diǎn)上相互連接，只要其中一個(gè)發(fā)生故障，可能迅速蔓延至整個(gè)結(jié)構(gòu)。
相反，張拉整體結(jié)構(gòu)的受壓構(gòu)件形成閉合環(huán)路，彼此隔離，僅通過(guò)受拉構(gòu)件連接。在這種情況下，受壓構(gòu)件的不穩(wěn)定性只能通過(guò)拉伸載荷路徑傳遞。如果它們沒(méi)有發(fā)生斷裂，就不會(huì)表現(xiàn)出不穩(wěn)定性。向下推張拉整體系統(tǒng)，整個(gè)結(jié)構(gòu)會(huì)均勻壓縮，從而防止發(fā)生局部損壞，避免故障。
UCI研究人員Valdevit表示，張拉整體超材料表現(xiàn)出前所未有的抗故障性、極端能量吸收、形變度和強(qiáng)度，超過(guò)其他所有類型的領(lǐng)先輕質(zhì)結(jié)構(gòu)。“這項(xiàng)研究為設(shè)計(jì)先進(jìn)工程系統(tǒng)提供了重要基礎(chǔ)，比如可重復(fù)使用的沖擊保護(hù)系統(tǒng)，以及自適應(yīng)承重結(jié)構(gòu)?！?/p>
來(lái)源：蓋世汽車
作者：Elisha