I en nyligen publicerad studie publicerad i Vetenskapens framsteg , materialvetare Julie A. Jackson och kollegor presenterade en ny klass av materialarkitektur som kallas fältresponsiva mekaniska metamaterial (FRMM). FRMM:erna uppvisar dynamisk kontroll och avstämbarhet under flygningen för att designa och välja konstruktionens sammansättning och struktur. Vanligtvis, egenskaper hos mekaniska metamaterial programmeras och ställs in när arkitekturen är designad och konstruerad, utan att förändras som svar på skiftande yttre miljöförhållanden eller tillämpningar därefter. De olika egenskaperna hos FRMM:er demonstrerades först genom att skriva ut komplexa strukturer av polymerrör fyllda med magnetoreologiska (MR) vätskesuspensioner för att tillåta avlägsna magnetfält att styra materialen. Följaktligen, forskarna observerade snabbt, reversibla och betydande förändringar av den effektiva styvheten i de nya metamaterialkonstruktionerna.

Syntetiska material efterliknar ofta cellulära strukturer som tänder, ben- och fågelnäbbar i naturen för att replikera deras utmärkta styrka och seghet i förhållande till densitet. Avancerade material är biokonstruerade för att efterlikna stokastiska (slumpmässiga) cellulära strukturer i form av polymerer och metallskum för strukturella och funktionella applikationer. Naturen kan också skapa periodiska arkitekturer genom evolutionär design, där ordnade cellulära strukturer överträffar de stokastiska motsvarigheterna som ses med defensiva pansarskal och daktylklubbor i kräftdjur. I labbet, additiv tillverkningsteknik och 3D-utskrift används för att konstruera cellulära strukturer med nano-, mikro-, meso- och makroskaliga funktioner som uppvisar unika kombinationer av mekaniska, funktionella och termiska egenskaper. Kallas ofta för metamaterial, strukturerna har visat innovativa egenskaper, Inklusive:

• Lättvikt, men ändå styv och stark arkitektur i 3D keramiska nanogitter
• Hög mekanisk motståndskraft i grafen periodiska 3-D aerogel mikrogitter.
• Negativt Poissons förhållande i origamibaserade metamaterial.
• Elastomekaniska "okännbarhets" kappor och osynlighetskappor
• Multimateriallayouter med negativa värmeutvidgningskoefficienter.

Dessa material kombinerar två eller flera kontrasterande egenskaper för unika egenskaper, men deras arkitektur förblir fixerad i tiden efter tillverkningen. Som ett resultat, materialen kan inte svara på och anpassa sig till förändrade yttre förhållanden. Anpassningsbara och lyhörda material konstrueras alltmer via 4-D-utskrift, där den fjärde dimensionen representerar tid, som för närvarande växer fram som ett nytt forskningsområde inom materialvetenskap.

Termen 4-D representerar 3-D-tryckta material som kan ändra form eller funktion som svar på yttre förhållanden eller stimuli, inklusive mekanisk kraft, svullnad och magnetfält. De existerande demonstrationerna, dock, saknar deterministisk kontroll av mekaniska egenskaper eller uppvisar långsam kinetik för de avsedda kemiska omvandlingarna. I föreliggande studie, Jackson et al., avslöja en ny klass av fältkänsliga mekaniska metamaterial (FRMM) som är 3-D-utskrivna för att visa programmerbara, förutsägande, reversibla och kontrollerade mekaniska egenskaper som snabbt svar på ett avlägset magnetfält.

De 3-D-tryckta ihåliga polymerrören eller strävorna som bildar byggstenarna i gitter fylldes med magnetoreologiska (MR) vätskesuspensioner. Forskarna använde LAPµSL-systemet för anpassad 3D-utskrift lager-för-lager genom att projicera UV-ljusmönster på ett fotohärdbart harts för att konstruera 3D-strukturer från en stapel 2-D-bilder. För konsekvens, de replikerade ett tidigare etablerat protokoll för mikrostereolitografi. MR-vätskorna innehöll ferromagnetiska mikropartiklar i omagnetiska vätskor som snabbt kunde ändra viskositeten som svar på ett applicerat magnetfält. I frånvaro av ett magnetfält, MR-vätskan var vätskeliknande till sitt beteende, med slumpmässigt fördelade partiklar som flödade fritt för att bilda en pool på ett plant substrat. När ett magnetfält applicerades, partiklarna passade in i kedjor längs fältlinjerna och bildade en spikulär samling av bladliknande strukturer som liknade droppstensavlagringar. Vätskeviskositeten ökade monotont för att nå en mättnadsplatå vid en magnetfältstyrka på ~ 0,3 T.

I studien, magnetomekaniska tester utfördes med kompression och fribärande böjning. Varje cylinder (stag) fylldes med kommersiellt tillgänglig MR-vätska, som bestod av 50 procent karbonyljärnpartiklar (från 4 till 20 µm) i en kolvätepartikelstabilisatorolja. Varje magnetomekaniskt test upprepades vid flera magnetfältstyrkor, där fältet var inriktat parallellt med riktningen för applicerad kraft för att erhålla en serie kraft-förskjutningskurvor. Bland de olika inriktningarna, den effektiva styvheten var störst när det applicerade fältet var parallellt med kraftens riktning. Testerna användes för att kalibrera modellen på nivån av en enda stag och slutligen förutsäga fältsvaret för en större gallerarkitektur.

Forskarna använde en standardkompositstrålteori, där analysen antog Euler-Bernoullis böjningsteorin för att härleda en modell av strävan. Teorin inkluderade den effektiva elastiska styvheten för MR-vätskan och den elastiska styvheten hos stagen (Youngs modul). Den analytiska modellen antog ett linjärt samband mellan den mekaniska styrkan och ökningen av magnetfältet. Experimenten hölls under tröskelvärdet på 0,3 T eftersom MR-vätskan tidigare observerades att mättas vid detta värde.

Forskarna visade genomförbarheten av tillverknings- och mekaniska testmetoder för mer komplexa arkitekturer genom 3-D-utskrift av cuboctahedron-enhetsceller med hjälp av LAPµSL-processen. Enhetscellerna avlägsnades från eventuellt flytande prepolymerharts och injicerades med MR-vätskan. Påfyllningsproceduren (eller påfyllning) var framgångsrik när strukturen orienterades för att förhindra inneslutna gasbubblor.

Jackson et al. testade cuboctahedron-enhetscellerna i en anpassad apparat genom att variera magnetens avstånd till enhetscellstrukturen för att kontrollera magnetfältets styrka. De beräknade förhållandet mellan den effektiva Youngs modul och den magnetiska fältstyrkan hos enhetscellen genom kompressionstester. Svarstiden mättes genom den hastighet med vilken mekaniska egenskaper ändrades i materialet som svar på appliceringen eller avlägsnandet av ett magnetfält. Reversibiliteten av de magnetomekaniska resultaten testades också med en töjningskontrollerad mätning, där cellen cyklade mellan fälttillstånden på/av medan den var under 10 procents kompressionsbelastning. De magnetiska partiklarna övergick snabbare från ett tillstånd av oordning till ordning när magnetfältet applicerades.

Forskarna visade möjligheten att skapa ett större område FRMM genom att skriva ut ett kuboctahedrongitter med 2 x 2 gånger 2 arrangemang av enhetsceller. För att producera exemplaren, de dränerade ihåliga gallren injicerades med MR-vätska som tidigare, men i detta fall med två sprutor anslutna till varje enhetscell. Ännu en gång, gitterets styvhetsrespons mättes som en funktion av magnetfältstyrkan.

För att observera fältsvarseffekten av det mekaniska metamaterialgittret, forskarna placerade en statisk belastning på 10 g massa, med ett initialt tillstånd av 0,11 T maximalt applicerat magnetfält. När magnetfältet långsamt togs bort, den effektiva stelheten minskade, deformera gallret under belastningen för att komprimera och böja. Efter fullständig borttagning av magneten, massan gled av gallerytan för att visa den förändrade bärförmågan. FRMM kan ändra styvhet i ett stresskontrollerat experiment, genom att enbart justera magnetfältet. Arbetet demonstrerade de första avstämbara FRMM:erna med ett dynamiskt område av snabba och reversibla mekaniska reaktioner som svar på fjärranlagda magnetfält.

Utvecklingsprocessen är smidig och enkel för replikering, baserad på 3D-utskrift, kombinerat med kontrollerade vätskeleveransmetoder för att konstruera en ny klass av mikroarkitektoniska mekaniska metamaterial. Framtida FRMM kan bestå av aktiva mikrofluidiska nätverk för att reglera flödet av MR-vätskor i mikrofack för tidskontrollerad tillgänglighet. Magnetisk formning kan öka riktningskontrollen för en mängd olika applikationer. Forskarna föreställer sig användningen av FRMM i ett brett spektrum av nya applikationer, inklusive mjuk robotik, som snabbt adaptiva "krocktåliga" hjälmar för cyklister och som brusreducerande smarta bärbara enheter.

© 2018 Science X Network