Metamaterial berasaskan titanium membuka kekuatan di luar alam.

Metamaterial titanium yang terobosan dengan kekuatan dan fleksibiliti yang tiada tandingannya dapat merevolusikan penerbangan pembuatan dan berkelajuan tinggi.

Bahan titanium yang ringan, kekuatan tinggi telah direkayasa yang boleh membawa kepada peranti perubatan yang lebih kuat dan kenderaan inovatif dan reka bentuk kapal angkasa. Pasukan penyelidikan menggunakan aloi titanium biasa, ti -6 al -4 v, untuk membina "metamaterial", istilah yang digunakan untuk menggambarkan bahan buatan yang mempunyai sifat unik yang tidak diperhatikan dalam alam semula jadi " Beyond "dalam bahasa Yunani.

Ramai struktur yang rumit dan mengejutkan seperti itu wujud dalam alam semula jadi, seperti Victoria Water Lily. Asli ke Amerika Selatan, daun terapung raksasa ini cukup kuat untuk menyokong orang dewasa kerana struktur kisi unik uratnya.

Struktur bahan buatan manusia boleh direka untuk meniru tumbuh -tumbuhan ini dan bahan -bahan berliang semula jadi seperti karang, dengan kisi yang berbeza yang terdiri daripada kiub mudah ke dodecahedrons kompleks. Liang -liang dalam struktur kekisi ini saling berkaitan, membentuk saluran. Dikenali sebagai bahan "selular", bahan kisi ini sering datang dengan kekuatan tradeoff jika tidak direka dengan betul, menurut penyelidik RMIT.

"Bagaimanapun, Percetakan Metal 3D adalah penukar permainan, yang membolehkan para penyelidik merancang dan mengarang logam selular yang sangat inovatif dan kuat," kata Jordan Noronha, Ph.D. Calon yang bekerja di projek di RMIT.

Dalam bahan selular, kisi disambungkan dalam tiga dimensi oleh rod nipis, pepejal atau rasuk yang dipanggil struts. Dengan menggunakan struts berongga, penyelidik bertujuan untuk membuat bahan selular berkepadatan rendah sama kuatnya dengan aloi logam pepejal dengan ketumpatan yang sama dengan aloi magnesium kekuatan tinggi.

Mencetak metamaterial

Pasukan penyelidikan yang diketuai oleh Ma Qian, seorang profesor di Pusat RMIT untuk Pembuatan Aditif, menggunakan proses percetakan 3D yang dipanggil "Laser Powder Bed Fusion" untuk mengarang metamaterials titanium. Teknik ini, yang membina lapisan material dengan lapisan menggunakan rasuk laser berkuasa tinggi, biasanya digunakan untuk menyediakan bahagian pembuatan kompleks dari kurang daripada satu milimeter sehingga hampir dua meter.

Qian menjelaskan pendekatan pasukannya. "Pertama, keseluruhan sampel metamaterial kisi direka sebagai model digital. Kemudian, model ini dihiris secara digital ke banyak lapisan nipis menggunakan alat perisian."

"Proses fabrikasi berasaskan lapisan ini melibatkan pencairan laser serbuk logam, pemejalan cepat logam cecair (serbuk logam cair), dan proses pemanasan dan penyejukan yang berulang dari logam kukuh," katanya.

Qian berkata keseluruhan proses itu mengambil masa kira -kira 18 jam, tetapi melalui pengoptimuman, dia dan pasukannya merancang untuk memendekkan tempoh masa di masa depan.

Apa yang menjadikan bahan itu begitu kuat?

Struts berongga dan plat nipis adalah dua topologi yang bertanggungjawab untuk kekuatan tinggi metamaterial. Tidak seperti kebanyakan bahan selular, yang mengandungi titik lemah di mana tekanan tertumpu, kedua -dua kisi pelengkap ini sama rata mengedarkan tekanan semasa memberikan sokongan.

"Sebaik -baiknya, tekanan dalam semua bahan selular harus disebarkan secara merata," jelas Qian. "Bagaimanapun, bagi kebanyakan topologi, ia adalah perkara biasa untuk kurang daripada separuh bahan untuk menanggung beban mampatan, manakala jumlah bahan yang lebih besar adalah struktur yang tidak penting."

"Reka bentuk multi-topologi ini juga menggalakkan pesongan laluan retak untuk meningkatkan ketangguhan," katanya. "Daripada retak yang berlaku secara langsung melalui kisi, yang berlaku dalam kebanyakan bahan selular, dalam topologi kekisi berlubang plat nipis kami, struts dan plat berfungsi bersama-sama untuk mengalihkan retak di sepanjang jalan yang lebih panjang."

Aloi magnesium kini digunakan dalam aplikasi komersil yang memerlukan kekuatan tinggi dan ringan. Berbanding dengan aloi magnesium cast terkuat yang tersedia (WE54), sampel metamaterial titanium dengan ketumpatan setanding jauh lebih kuat. Aloi magnesium juga tidak dapat diterima oleh fusion katil serbuk laser atau percetakan 3D kerana pengewapan serbuk, memberikan aloi titanium kelebihan pembuatan.

Langkah seterusnya dan aplikasi yang berpotensi

Sebelum bahan itu dikomersialkan, Qian dan pasukannya mula -mula ingin memastikan bahan itu dilakukan pada kecekapan maksimumnya.

Untuk melakukan ini, mereka merancang untuk memperbaiki reka bentuk semasa mereka untuk mengukuhkan dan meringankan metamaterials titanium mereka lebih banyak lagi. Sebagai contoh, berdasarkan simulasi berangka, mereka akan menyesuaikan perkadaran plat nipis ke struts berongga untuk membolehkan pengedaran tekanan yang lebih seragam di seluruh struktur keseluruhan.

Menurut penyelidik, jika metamaterial dibuat dari aloi titanium suhu tinggi, ia boleh digunakan pada suhu sehingga 600 darjah. Ciri ini, bersama-sama dengan rintangan kakisannya, menjadikan bahan yang sesuai untuk digunakan dalam pesawat terbang atau peluru berpandu berkelajuan tinggi, yang mesti dapat menahan haba sengit yang dihasilkan oleh kelajuan tinggi mereka. Drone titanium yang digunakan untuk memantau atau melawan kebakaran hutan juga akan mendapat manfaat daripada berat ringan, kekuatan, dan rintangan haba metamaterial.

Kerana metamaterial juga biokompatibel, ia juga boleh digunakan dalam peranti perubatan seperti implan tulang. Walau bagaimanapun, teknologi ini belum tersedia secara meluas pada peringkat ini, jadi penggunaannya oleh industri mungkin mengambil sedikit masa. "Batasan kami yang paling penting adalah eksklusif teknologi kami, dan kos fabrikasi boleh menjadi satu lagi kebimbangan penting," kata Qian.

"Proses pembuatan tradisional tidak praktikal untuk fabrikasi metamaterial logam yang rumit ini, dan tidak semua orang mempunyai mesin gabungan serbuk laser di gudang mereka," katanya. "Bagaimanapun, ketika teknologi berkembang, ia akan menjadi lebih mudah, membolehkan penonton yang lebih besar untuk melaksanakan metamaterial multi-topologi kekuatan tinggi kami dalam komponen mereka."