Date:2018-12-29 09:49:02
勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)經(jīng)常使用包括超材料在內(nèi)的3D打印材料做出令人印象深刻的工作。現(xiàn)在,該實(shí)驗(yàn)室引入了一類新的超材料,當(dāng)暴露在磁場(chǎng)中時(shí),它幾乎可以立即響應(yīng)和加強(qiáng)3D打印結(jié)構(gòu)。 LLNL稱材料為“現(xiàn)場(chǎng)響應(yīng)機(jī)械超材料”或FRMM。它們涉及粘性的磁響應(yīng)流體,其被注入空心支柱和3D打印格子束中。與其他4D打印材料不同,F(xiàn)RMM的整體結(jié)構(gòu)不會(huì)改變。位于梁的核心中的流體的鐵磁顆粒響應(yīng)于磁場(chǎng)形成鏈,使流體和晶格結(jié)構(gòu)變硬。這發(fā)生在不到一秒鐘。該研究記錄在題為“現(xiàn)場(chǎng)響應(yīng)機(jī)械超材料”的論文中。
“在本文中,我們真的希望專注于具有可調(diào)屬性的超材料的新概念,即使它只是一個(gè)手工制作過(guò)程,它仍然突出了可以做的事情,這就是我認(rèn)為真正令人興奮的事情,”主要作者Julie Jackson Mancini是LLNL工程師,自2014年以來(lái)一直致力于這個(gè)項(xiàng)目的研究。“已經(jīng)證明,通過(guò)結(jié)構(gòu),超材料可以創(chuàng)造有時(shí)在自然界中不存在或者可以高度設(shè)計(jì)的機(jī)械特性,但是一旦你建立起來(lái)你堅(jiān)持使用這些屬性的結(jié)構(gòu)。這些超材料的下一個(gè)演變是可以調(diào)整其機(jī)械特性以響應(yīng)外部刺激的東西。那些存在,但它們通過(guò)改變形狀或顏色來(lái)響應(yīng),而響應(yīng)所花費(fèi)的時(shí)間可能是幾分鐘或幾小時(shí)。使用我們的FRMM,整體形式不會(huì)改變,響應(yīng)非常快,這使得它與其他材料區(qū)別開(kāi)來(lái)。“
研究人員將磁流變液注入基于LLNL大面積投影微光刻(LAPμSL)平臺(tái)的空心晶格結(jié)構(gòu)中,該平臺(tái)能夠使用光和光敏聚合物樹(shù)脂在寬區(qū)域內(nèi)對(duì)具有微尺度特征的物體進(jìn)行3D打印。根據(jù)Mancini的說(shuō)法,LAPμSL機(jī)器在新的超材料的開(kāi)發(fā)中發(fā)揮了重要作用,因?yàn)閺?fù)雜的管狀結(jié)構(gòu)需要用薄壁制造并且能夠保持流體包含,同時(shí)承受填充過(guò)程中產(chǎn)生的壓力和對(duì)磁場(chǎng)的反應(yīng)。
通過(guò)改變所施加的磁場(chǎng)的強(qiáng)度,流體的加強(qiáng)以及3D打印結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)是可逆的和可調(diào)的。“真正重要的是它不僅僅是一個(gè)開(kāi)關(guān)響應(yīng),通過(guò)調(diào)整所施加的磁場(chǎng)強(qiáng)度,我們可以獲得廣泛的機(jī)械性能,”曼奇尼說(shuō)。 “實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程可調(diào)性的想法為許多應(yīng)用打開(kāi)了大門(mén)。”
這些應(yīng)用包括沖擊吸收,例如汽車(chē)座椅,其中集成了流體響應(yīng)超材料以及可以檢測(cè)碰撞的傳感器。座椅在撞擊時(shí)會(huì)變硬,可能會(huì)減少傷亡。其他應(yīng)用包括頭盔,頸部支架,光學(xué)組件外殼或軟機(jī)器人。
為了預(yù)測(cè)晶格結(jié)構(gòu)如何響應(yīng)所施加的磁場(chǎng),現(xiàn)在為國(guó)家實(shí)驗(yàn)室工作的前LLNL研究員Mark Messner從單支柱測(cè)試開(kāi)發(fā)了一個(gè)模型。從他開(kāi)發(fā)的模型開(kāi)始預(yù)測(cè)非可調(diào)靜態(tài)晶格結(jié)構(gòu)材料的機(jī)械性能,他補(bǔ)充說(shuō)明了磁場(chǎng)響應(yīng)流體如何影響磁場(chǎng)下的單個(gè)晶格元件,并將單個(gè)支柱的模型合并到設(shè)計(jì)好的單元格里,然后,他將模型校準(zhǔn)到實(shí)驗(yàn)中,Mancini在類似于格子中的支柱的流體填充管上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。研究人員使用該模型來(lái)優(yōu)化晶格的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),找到隨著磁場(chǎng)變化而導(dǎo)致機(jī)械性能發(fā)生較大變化的結(jié)構(gòu)。
“我們研究了彈性剛度,但模型(或類似模型)可用于針對(duì)不同類型的目標(biāo)優(yōu)化不同的晶格結(jié)構(gòu),”Messner說(shuō)。 “可能的晶格結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)空間是巨大的,因此模型和優(yōu)化過(guò)程幫助我們?cè)诖蛴。畛浜蜏y(cè)試實(shí)際樣品之前選擇具有有利特性的可能結(jié)構(gòu)。
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