Materialvetare vid ETH-Zürich arbetar med kompositmaterial som efterliknar snäckskalens struktur. Sådana komplexa strukturer produceras med små magnetiska partiklar som styr kompositernas styvare element på plats. Denna teknik möjliggör ny teknik från hållbara beläggningar till starkare och lättare material.

Kompositmaterial är utbredd i vårt samhälle. De används i ett brett spektrum av strukturer, från flygplansvingar och glasfiberbåtar till vindkraftsblad och tandreparationer. Eftersom kompositer kombinerar olika materialklasser som plast, metaller, och keramik, det är möjligt att designa dem att vara samtidigt styva och starka, lätt och flexibel. Sådan kombination av egenskaper kan inte uppnås med enbart materialklass; plast är inte styv, metaller är inte lätta, och keramik är inte flexibel.

Utformningen och tillverkningen av kompositer som uppnår dessa egenskapskombinationer kräver korrekt orientering och placering av starka och styva keramiska eller polymera fibrer i ett mjukare och lättare polymermaterial, såsom ett epoxilim. Utan rätt orientering, de styvare elementen är ineffektiva i sin roll att stärka det mjukare materialet.

Hög styvhet och styrka

Möjligheten att kontrollera denna inriktning har länge undvikit komposittillverkare. Nuvarande kompositmaterial innehåller styva fibrer som ofta är arrangerade som en tygbit, som senare infiltreras med en mjuk, lätt polymerharts. Detta ger hög styvhet och styrka i tygets plan som lätt kan observeras genom att dra i ändarna av ett enda tygskikt. Nuvarande tillverkningstekniker staplar många tunna lager för att skapa större strukturer.

Dock, detta leder vanligtvis till kompositer med svag slaghållfasthet och hög känslighet för delaminering mellan staplade lager. Intressant, kompositmaterial som produceras av levande organismer uppvisar eleganta lösningar på dessa problem genom att bygga biologiska kompositer med hjälp av förstärkande element med unika 3D -arkitekturer, som exemplifieras av snäckskalstrukturen. Liknande 3D -förstärkningsstrategier finns också i tänderna, ben- och växtstammar.

Exakt styrning av armeringselement

I tidningen 13 januari Vetenskap , forskare vid ETH-Zürich har avslöjat en nyutvecklad teknik som möjliggör exakt kontroll av dessa styvare förstärkande element i en syntetisk komposit. Deras teknik använder magnetiska krafter, förlitar sig på ett liknande fenomen som en stångmagnet som orienterar järnfyllningar. Den viktigaste utmaningen var det faktum att materialen av intresse för kompositer är omagnetiska och, Således, reagerar inte själva på magnetkrafter.

ETH -teamet upptäckte att de kunde möjliggöra ett magnetiskt svar i dessa material genom att fästa en förvånansvärt liten mängd magnetiska nanopartiklar (1/1 000 diametern på ett människohår) på ytan av de styva elementen. Denna metod fungerar bara för styva element av en definierad storlek i mikrometerområdet, som råkar överlappa storleken på nyckelintresset inom kompositindustrin. Genom att använda styvare element i denna skala får du orienteringskontroll med magnetfält som bara är 20 gånger jordens. För jämförelse, kreditkortsränder avger magnetfält som närmar sig 2, 000 gånger jordens fält.

Att använda tekniken för industriellt bruk

Forskargruppen visade att denna teknik kan användas för att producera en hel familj av nya sammansatta strukturer som inte var möjliga tidigare (figur 2). Dessa nya strukturer uppvisar programmerbara materialegenskaper i valfri riktning, en egenskap som inte har visats med tidigare tekniker. Eftersom den nya metoden bygger på så låga magnetfält och små beläggningar, tillämpningen i befintliga tillverkningsprocesser är tydlig.

ETH -teamet arbetar för närvarande med kommersiella företag för att använda denna teknik för industriellt bruk. The industrialization of this approach offers a pathway to lighter, billigare, and stronger composite materials for the automotive and aerospace industries and for the development of materials to promote renewable energy harvesting such as with lighter, stronger wind turbine blades.

The ETH team plans to continue this work by adapting these techniques to a variety of new systems and new materials.