En ingenjörsfysikprofessor vid University of Wisconsin – Madison har skapat nya material som beter sig på ett ovanligt sätt som trotsar den standardteori som ingenjörer använder för att designa saker som byggnader, flygplan, broar och elektroniska apparater.

Det är ett framsteg som kan öppna dörren för att designa nya material för applikationer som kräver hög seghet - till exempel flygplansvingar som är mer frakturtåliga.

Den klassiska elasticitetsteorin fungerar bra för att förutsäga beteendet hos de flesta vanliga material, inklusive stål, aluminium och betong, och se till att strukturer tål mekaniska krafter utan att bryta eller deformeras för mycket. Men för vissa material, teorin är begränsande.

Roderic Lakes och doktorand Zachariah Rueger använde 3D-tryck för att göra sina nya polymergittermaterial. Deras design – mönstret som materialens polymerremsor är arrangerade i – är en återkommande struktur på kors och tvärs. När den är vriden eller böjd, en stapel av detta polymergitter är ungefär 30 gånger styvare än vad som kan förväntas baserat på klassisk elasticitetsteori.

Wisconsin -forskarna beskrev sina nya gittermaterial i tidskriften Fysiska granskningsbrev den 8 februari 2018.

Utföra mätningar i labbet, Lakes bestämde att materialets beteende överensstämde med Cosserat -elasticitet, en mer beskrivande teori om elasticitet som tar hänsyn till storleken på den underliggande strukturen i ett material.

"När du har ett material med understruktur i det, som vissa skum, galler och fiberförstärkta material, det finns mer frihet i det än vad klassisk elasticitetsteori kan hantera, "Lakes säger." Så vi studerar materialens frihet att bete sig på ett sätt som inte förutses av standardteorin. "

Denna ökade frihet erbjuder en potentiell väg till att skapa nya material som är immuna mot stresskoncentration; med andra ord, material med förbättrad seghet. Sådana material skulle vara användbara för en mängd olika tillämpningar, inklusive att göra flygplansvingar mer motståndskraftiga mot sprickor.

Om en spricka bildas i en flygplansvinge, stress är koncentrerad kring sprickan, gör vingen svagare. "Du behöver en viss mängd stress för att bryta något, men om det finns en spricka i det, du kan bryta det med mindre stress, "Säger Lakes.

Att använda Cosserat -teorin om elasticitet för att informera materialdesign kommer att ge tuffare material där spänningar fördelas på olika sätt på olika material, enligt Lakes.

Samma effekter finns i material som ben och vissa typer av skum. Dock, när ingenjörer gör skum för en sittdyna, till exempel, de har inte mycket kontroll över skummets understruktur – de små bubblorna som bildas och utgör cellerna inuti skummet. Som ett resultat, de har begränsad förmåga att skräddarsy Cosserat-effekterna.

I motsats till skum, UW – Madison -forskarna kan ställa in Cosserat -effekterna i sina gittermaterial och göra dem väldigt starka.

"Vi utvecklade ett material där vi har exceptionellt detaljerad kontroll över den fina strukturen på vårt galler, och det gjorde det möjligt för oss att uppnå mycket starka effekter vid böjning och vridning av materialet, "Säger Lakes.