Ячеистые формы натуральных материалов послужили источником вдохновения для 3D-печати
Ячеистые формы натуральных материалов послужили источником вдохновения для нового легкого 3D-печатного интеллектуального архитектурного материала, разработанного международной командой инженеров. Команда, возглавляемая инженерами из Университета Глазго, смешала обычную форму промышленного пластика с углеродными нанотрубками, чтобы создать материал, более жесткий, прочный и умный, чем сопоставимые традиционные материалы.
Проектирование и изготовление сотовых структур из статистического сополимера полипропилена / многостенных углеродных нанотрубок (PPR / MWCNT): модели CAD и изображения решеток PPR / MWCNT, изготовленных аддитивно, с 6% масс. углеродных нанотрубок (CNT) и относительной плотностью 30%. Предоставлено: Передовые инженерные материалы (2022 г.). DOI: 10.1002/адем.202200194
Нанотрубки также позволяют непроводящему пластику нести электрический заряд по всей своей структуре. Когда конструкция подвергается механическим нагрузкам, ее электрическое сопротивление изменяется. Это явление, известное как пьезорезистивность, дает материалу возможность «чувствовать» свое структурное здоровье.
Используя передовые методы 3D-печати, которые обеспечивают высокий уровень контроля над дизайном печатных структур, они смогли создать серию сложных конструкций с мезомасштабной пористой архитектурой, что помогает снизить общий вес каждой конструкции и максимизировать механические характеристики.
Ячеистые конструкции команды похожи на пористые материалы, встречающиеся в мире природы , такие как ульи, губка и кость, которые легкие, но прочные.
Исследователи считают, что их клеточные материалы могут найти новые применения в медицине, протезировании, автомобильном и аэрокосмическом дизайне, где востребованы прочные материалы с низкой плотностью, способные слишком самоощущаться.
Исследование доступно онлайн в качестве предварительной статьи в журнале Advanced Engineering Materials.
В документе исследователи описывают, как они исследовали характеристики поглощения энергии и самоощущения трех различных наноинженерных конструкций, которые они напечатали, используя свой собственный материал, который сделан из случайного сополимера полипропилена и многослойных углеродных нанотрубок.
Из трех испытанных конструкций они обнаружили, что одна демонстрирует наиболее эффективное сочетание механических характеристик и способности к самоощущению — кубическая «решетка-пластина», в которую входят плотно упакованные плоские листы.
Решетчатая структура при монотонном сжатии демонстрирует способность поглощать энергию, подобную никелевой пене той же относительной плотности. Он также превзошел ряд других обычных материалов той же плотности.
Исследованием руководил доктор Шанмугам Кумар из Инженерной школы Джеймса Ватта Университета Глазго вместе с коллегами, профессором Викрамом Дешпанде из Кембриджского университета и профессором Брайаном Уордлом из Массачусетского технологического института.
Д-р Кумар сказал: «Природа может многому научить инженеров тому, как сбалансировать свойства и структуру для создания высокоэффективных легких материалов. Мы черпали вдохновение в этих формах для разработки наших новых ячеистых материалов, которые предлагают уникальные преимущества по сравнению с их традиционным аналоги и могут быть точно настроены для управления их физическими свойствами.
«Выбранный нами статистический сополимер полипропилена обеспечивает повышенную технологичность, повышенную термостойкость, лучшую консистенцию продукта и лучшую ударную вязкость. Углеродные нанотрубки помогают сделать его механически прочным, придавая ему электропроводность. Мы можем выбирать степень пористости, спроектировать и пористую геометрию для улучшения механических свойств, зависящих от массы.
«Легкие, более прочные, самоощущающиеся материалы, подобные этим, имеют большой потенциал для практического применения. Они могли бы помочь сделать более легкие и эффективные кузова автомобилей, например, или опоры для спины для людей с такими проблемами, как сколиоз, способных чувствовать, когда их тела не получают оптимальной поддержки. Их можно было бы даже использовать для создания новых форм архитектурных электродов для аккумуляторов».
Статья группы под названием «Многофункциональность наноинженерных самочувствительных решеток, обеспечиваемая аддитивным производством», опубликована в журнале Advanced Engineering Materials.
