Nové ultralehké a velmi tuhé 3D tištěné materiály mohou vyrábět automobily, letadla

Všechny Novinky

ultra-tuhý-ultra-lehký-materiál-MIT-science-Lawrence_Lab

Představte si materiál se stejnou hmotností a hustotou jako aerogel - materiál tak lehký, že se tomu říká „zmrzlý kouř“ - ale s 10 000krát větší tuhostí. Tento materiál by mohl mít zásadní dopad na letecký a automobilový průmysl a také na další aplikace, kde jsou zapotřebí lehké materiály s vysokou tuhostí a vysokou pevností.


Tým MIT spolupracující s výzkumníky v Národní laboratoři Lawrencea Livermora vyvinul takový materiál s vlastnostmi, které se v přírodě nenacházejí.

Zjištění výzkumného týmu jsou publikována v a Článek z 20. června v časopise Science s názvem „Ultralight, Ultrastiff Mechanical Metamaterials“.

Umělý materiál si zachovává téměř konstantní tuhost na jednotku hustoty hmoty i při velmi nízké hustotě. Materiály s těmito vlastnostmi by mohly být někdy použity k vývoji dílů a komponentů pro letadla, automobily a vesmírná vozidla.

Většina lehkých pórovitých materiálů má mechanické vlastnosti, které se podstatně degradují při snížené hustotě, protože jejich konstrukční prvky se s větší pravděpodobností pod působením zatížení ohnou. Metamateriály týmu však vykazují vlastnosti ultrastiffu na více než třech řádech hustoty.


'Tyto lehké materiály vydrží zatížení minimálně 160 000krát větší, než je jejich vlastní hmotnost,' uvedl inženýr LLNL Xiaoyu 'Rayne' Zheng, hlavní autor článku Science. 'Klíčem k této ultravysoké tuhosti je to, že všechny mikrostrukturní prvky v tomto materiálu jsou navrženy tak, aby byly nadměrně omezené a neohýbaly se pod působením zatížení.'

Zjištěná vysoká tuhost se podle zjištění výzkumného týmu ukázala jako pravdivá u více základních materiálů, jako jsou polymery, kovy a keramika.


Tento aditivní mikrovýrobní proces může z vysoce citlivých vstupních materiálů vytvářet vysoce věrné 3D díly po jedné vrstvě. Umožňuje týmu rychle generovat materiály se složitými 3D geometriemi, které jsou jinak náročné nebo v některých případech nemožné je vyrobit.

'Nyní můžeme vytisknout tuhý a odolný materiál pomocí stolního počítače,' řekl profesor MIT a klíčový spolupracovník Nicholas Fang. 'To nám umožňuje rychle vyrobit mnoho vzorků a zjistit, jak se chovají mechanicky.'

Tým dokázal postavit mikrolattiky z polymerů, kovů a keramiky.

Například použili polymer jako šablonu pro výrobu mikrolattic, které byly poté potaženy tenkým kovovým filmem o tloušťce od 200 do 500 nanometrů. Polymerové jádro bylo poté tepelně odstraněno, přičemž zůstala kovová vzpěra z dutých trubek, což mělo za následek ultralehké kovové mřížkové materiály.


'Vyrobili jsme extrémní a lehký materiál tím, že jsme vyrobili tyto tenkovrstvé duté trubky,' řekl Spadaccini, který také vede Centrum LLNL pro inženýrské materiály, výrobu a optimalizaci. 'Ale všechno to umožňovala původní struktura šablony polymeru.'

Tým tento postup zopakoval, ale potáhl mříže keramikou, aby vytvořil tenkovrstvý povlak o tloušťce přibližně 50 nanometrů. Hustota tohoto keramického materiálu s mikrostrukturou je podobná aerogelu, ale materiály jsou stokrát tužší než jiné ultralehké mřížkové materiály dříve publikované v akademických časopisech.

'Je to jeden z nejlehčích materiálů na světě,' řekl Spadaccini. 'Díky mikrostrukturovanému uspořádání však pracuje se čtyřmi řády vyšší tuhostí než aerogel při srovnatelné hustotě.'

Výzkum týmu financovala Agentura obrany pro pokročilé výzkumné projekty obrany (DARPA) a program přímého výzkumu a vývoje Lawrence Livermore (LDRD).

Další informace se dozvíte na Lawrence Lab webová stránka