Tubulanliknande polymerstrukturer skapade vid Rice University var bättre i stånd att hantera påverkan av en kula än polymerreferenskuben längst ner till höger. Kulan stannade i ungefär det andra lagret av tubulankonstruktionerna, utan några signifikanta strukturella skador observerade bortom det lagret. Kulor som skjutits med samma hastighet skickade sprickor genom hela referenskuben. Upphovsman:Jeff Fitlow/Rice University
Ett lätt material fullt med hål är nästan lika hårt som diamant. Bara de bucklor som finns kvar av snabbkulor bevisar det.
Forskare vid Rice University's Brown School of Engineering och deras kollegor testar polymerer baserade på tubulaner, teoretiska strukturer för tvärbundna kolnanorör som förutspås ha extraordinär styrka.
Rice lab av materialforskare Pulickel Ajayan fann tubulaner kan efterliknas som skalas upp, 3D-tryckta polymerblock som visar sig vara bättre på att avböja projektiler än samma material utan hål. Blocken är också mycket komprimerbara utan att bryta isär.
Som beskrivs i Små , upptäckten kan leda till tryckta strukturer av alla storlekar med avstämbara mekaniska egenskaper.
Tubulanes förutspåddes 1993 av kemisten Ray Baughman från University of Texas i Dallas och fysikern Douglas Galvão från State University of Campinas, Brasilien, båda rektor utredare på den nya uppsatsen. Tubulaner själva har ännu inte tillverkats, men deras polymerkusiner kan vara det näst bästa.
Ris doktorand och huvudförfattare Seyed Mohammad Sajadi och hans kollegor byggde datasimuleringar av olika tubulanblock, tryckt mönstren som makroskaliga polymerer och utsatt dem för krossningskrafter och snabba kulor. De bästa visade sig 10 gånger bättre på att stoppa en kula än ett fast block av samma material.
Rice -teamet sköt projektiler i mönstrade och fasta kuber med 5,8 kilometer per sekund. Sajadi sa att resultaten var imponerande. "Kulan fastnade i det andra lagret av strukturen, "sa han." Men i det fasta blocket, sprickor sprids genom hela strukturen. "
Tester i en laboratoriepress visade hur det porösa polymergitteret låter tubulanblock kollapsa in i sig själva utan att spricka, Sajadi sa.
Ajayangruppen gjorde liknande strukturer för två år sedan när den konverterade teoretiska modeller av schwarziter till 3D-tryckta block. Men det nya verket är ett steg mot vilka material forskare betraktar som en helig gral, Sajadi sa.
"Det finns gott om teoretiska system som människor inte kan syntetisera, "sa han." De har förblivit opraktiska och svårfångade. Men med 3D-utskrift, vi kan fortfarande dra nytta av de förutsagda mekaniska egenskaperna eftersom de är resultatet av topologin, inte storleken. "
Rice University doktorand Seyed Mohammad Sajadi och hans kollegor byggde datasimuleringar av tubulanblock, tryckt mönstren som makroskaliga polymerer och utsatt dem för krossningskrafter och snabba kulor. Upphovsman:Jeff Fitlow/Rice University
Sajadi sa tubulanliknande strukturer av metall, keramik och polymer begränsas endast av skrivarens storlek. Optimering av gitterdesignen kan leda till bättre material för civila, flyg, bil, sporter, förpackningar och biomedicinska tillämpningar, han sa.
"De unika egenskaperna hos sådana strukturer kommer från deras komplexa topologi, som är skaloberoende, "sade risalumnen Chandra Sekhar Tiwary, med rektor utredare på projektet och nu assisterande professor vid Indian Institute of Technology, Kharagpur. "Topologikontrollerad förstärkning eller förbättring av bärförmågan kan också vara användbar för andra konstruktionsdesigner."
Material tillverkade vid Rice University baserat på teoretiska tubulanstrukturer kunde bättre hantera påverkan av en kula än polymerreferenskuben i botten. Kulan stannade i ungefär det andra lagret av tubulankonstruktionerna, utan några signifikanta strukturella skador observerade bortom det lagret. Kulor som skjutits med samma hastighet skickade sprickor genom hela referenskuben. Upphovsman:Jeff Fitlow/Rice University
Enligt medförfattarna Peter Boul och Carl Thaemlitz från Aramco Services Co., sponsor av forskningen, potentiella tillämpningar spänner över många branscher, men olja och gas kommer att finna tubulankonstruktioner särskilt värdefulla som tuffa och hållbara material för brunnkonstruktion. Sådana material måste tåla stötar, särskilt vid hydraulisk sprickbildning, som kan rubblisera vanliga cement.
"Slagtåligheten hos dessa 3D-tryckta strukturer sätter dem i en egen klass, Sa Boul.
