Metamaterial مبتنی بر تیتانیوم قدرت فراتر از طبیعت را باز می کند.

یک ماده متاملی تیتانیوم پیشگام با استحکام و تطبیق پذیری بی نظیر می تواند باعث ایجاد تولید و حمل و نقل هوایی با سرعت بالا شود.

یک ماده تیتانیوم سبک و با استحکام بالا مهندسی شده است که می تواند منجر به دستگاه های پزشکی قوی تر و طراحی نوآورانه وسیله نقلیه و فضاپیما شود. تیم تحقیق از آلیاژ تیتانیوم مشترک ، Ti {1}} al {{2} V ، برای ساخت "متام ماده" استفاده کرد ، اصطلاحی که برای توصیف یک ماده مصنوعی استفاده می شود که دارای خواص بی نظیری است که در طبیعت مشاهده نمی شود - متا به معنای " فراتر از "در یونانی.

بسیاری از ساختارهای پیچیده و شگفت آور قوی در طبیعت وجود دارند ، مانند سوسن ویکتوریا آب. این برگ شناور غول پیکر بومی در آمریکای جنوبی به دلیل ساختار مشبک منحصر به فرد رگه های خود به اندازه کافی قوی است تا از یک بزرگسال حمایت کند.

ساختارهای مواد دست ساز را می توان برای تقلید از این گیاهان و سایر مواد متخلخل طبیعی مانند مرجان طراحی کرد ، با شبکه های مختلف که از مکعب های ساده گرفته تا dodecahedrons پیچیده است. منافذ موجود در این سازه های شبکه به هم پیوسته و کانال هایی را تشکیل می دهند. این مواد مشبک که به عنوان مواد "سلولی" شناخته می شوند ، طبق گفته محققان RMIT ، این مواد مشبک اغلب با وجود مبادله ای در صورت عدم طراحی مناسب همراه هستند.

جردن نورونا ، دکتری گفت: "با این حال ، چاپ سه بعدی فلزی یک تغییر دهنده بازی است و به محققان امکان می دهد فلزات بسیار نوآورانه و فلزات سلولی قوی را طراحی و ساختند." کاندیدایی که در RMIT روی این پروژه کار می کرد.

در مواد سلولی ، شبکه ها در سه بعد توسط میله های نازک ، جامد یا پرتوهای به نام بندها متصل می شوند. به جای آن ، محققان با استفاده از بندهای توخالی ، قصد داشتند یک ماده سلولی با چگالی کم را به همان اندازه یک آلیاژ فلزی جامد با چگالی مشابه با آلیاژهای منیزیم با مقاومت بالا بسازند.

چاپ متام ماده

تیم تحقیقاتی به سرپرستی ما کیان ، استاد مرکز تولید مواد افزودنی RMIT ، از یک فرآیند چاپ سه بعدی به نام "فیوژن بستر پودر لیزر" برای ساخت متامیان تیتانیوم استفاده کرد. این تکنیک ، که یک لایه ماده را با استفاده از یک پرتو لیزر با قدرت بالا می سازد ، معمولاً برای تهیه قطعات تولید پیچیده از کمتر از یک میلی متر تا تقریباً دو متر استفاده می شود.

کیان رویکرد تیمش را توضیح داد. "ابتدا ، کل نمونه متاماد شبکه مشبک به عنوان یک مدل دیجیتال طراحی شده است. بنابراین ، این مدل با استفاده از یک ابزار نرم افزاری به صورت دیجیتالی در بسیاری از لایه های نازک خرد می شود."

وی گفت: "این فرآیند ساخت مبتنی بر لایه شامل ذوب لیزر پودرهای فلزی ، جامد سازی سریع فلز مایع (پودرهای فلزی ذوب شده) و فرآیندهای گرمایش و سرمایش مکرر از فلز جامد است."

کیان می گوید کل این روند در حال حاضر حدود 18 ساعت طول می کشد ، اما از طریق بهینه سازی ، او و تیمش قصد دارند در آینده چارچوب زمانی را کوتاه کنند.

چه چیزی باعث می شود مواد بسیار قوی باشند؟

بندهای توخالی و صفحات نازک دو توپولوژی مسئول مقاومت زیاد متامیا هستند. بر خلاف بیشتر مواد سلولی ، که حاوی نقاط ضعف در آن است که در آن تمرکز استرس است ، این دو شبکه مکمل به طور مساوی استرس را ضمن ارائه پشتیبانی توزیع می کنند.

کیان توضیح داد: "در حالت ایده آل ، استرس در تمام مواد سلولی باید به طور مساوی گسترش یابد." "با این حال ، برای اکثر توپولوژی ها ، برای کمتر از نیمی از مواد معمول است که به طور عمده بار فشاری را تحمل کنند ، در حالی که حجم بیشتر مواد از نظر ساختاری ناچیز است."

وی افزود: "این طراحی چند شناسی همچنین باعث می شود که انحراف مسیرهای ترک را برای تقویت سختی تقویت کند." "به جای ترک هایی که مستقیماً از طریق شبکه ، که در بیشتر مواد سلولی رخ می دهد ، در توپولوژی شبکه توخالی نازک ما رخ می دهد ، بندها و صفحات با هم کار می کنند تا ترک ها را در یک مسیر طولانی تر منحرف کنند."

آلیاژهای منیزیم در حال حاضر در برنامه های تجاری استفاده می شوند که به استحکام بالا و سبک وزن نیاز دارند. در مقایسه با قویترین آلیاژ منیزیم ریخته گری موجود (WE54) ، نمونه ای از متامال تیتانیوم با چگالی قابل مقایسه بسیار قوی تر است. آلیاژهای منیزیم همچنین به دلیل تبخیر پودر ، از نظر فیوژن بستر پودر لیزر یا چاپ سه بعدی قابل تحمل نیستند و به آلیاژ تیتانیوم مزیت تولیدی می دهند.

مراحل بعدی و برنامه های بالقوه

قبل از تجاری سازی مواد ، کیان و تیمش ابتدا می خواهند اطمینان حاصل کنند که این مواد با حداکثر کارایی خود عمل می کنند.

برای انجام این کار ، آنها قصد دارند تا طراحی فعلی خود را برای تقویت و سبک تر کردن متامیان تیتانیوم خود حتی بیشتر بهبود بخشند. به عنوان مثال ، بر اساس شبیه سازی های عددی ، آنها نسبت صفحات نازک را به بندهای توخالی تنظیم می کنند تا توزیع استرس یکنواخت تری در کل ساختار فراهم شود.

به گفته محققان ، اگر این ماده از آلیاژ تیتانیوم درجه حرارت بالا ساخته شود ، می توان از آن در دماهای تا 600 درجه استفاده کرد. این ویژگی به همراه مقاومت در برابر خوردگی آن ، این مواد را برای استفاده در هواپیماهای پرنده پر سرعت یا موشک ها مناسب می کند که باید بتواند در برابر گرمای شدید ایجاد شده توسط سرعت زیاد آنها مقاومت کند. هواپیماهای بدون سرنشین تیتانیوم که برای نظارت دقیق یا مبارزه با آتش سوزی استفاده می شود ، از وزن سبک ، استحکام و مقاومت حرارتی متامیا نیز بهره مند می شوند.

از آنجا که متام ماده نیز زیست سازگار است ، می تواند در دستگاه های پزشکی مانند کاشت استخوان نیز مورد استفاده قرار گیرد. با این حال ، این فناوری در این مرحله هنوز به طور گسترده ای در دسترس نیست ، بنابراین پذیرش آن توسط صنعت ممکن است مدتی طول بکشد. کیان اظهار داشت: "مهمترین محدودیت ما انحصار فناوری ما است و هزینه ساختگی می تواند یک نگرانی مهم دیگر باشد."

وی افزود: "فرآیندهای تولید سنتی برای ساخت این مواد متاملی فلزی پیچیده عملی نیستند و همه افراد دارای دستگاه فیوژن بستر پودر لیزری در انبار خود نیستند." "با این حال ، با توسعه این فناوری ، در دسترس تر خواهد بود و مخاطبان بزرگتر را قادر می سازد تا متاماد چندانی با استحکام ما را در مؤلفه های خود پیاده سازی کند."