Metam vật liệu dựa trên titan mở khóa sức mạnh ngoài thiên nhiên.
Một siêu vật liệu titan đột phá với sức mạnh và tính linh hoạt vô song có thể cách mạng hóa sản xuất và hàng không tốc độ cao.
Một vật liệu titan nhẹ, cường độ cao đã được thiết kế có thể dẫn đến các thiết bị y tế mạnh mẽ hơn và các thiết kế xe và tàu vũ trụ sáng tạo. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng một hợp kim titan phổ biến, Ti -6 al -4 V, để xây dựng "siêu vật liệu", một thuật ngữ được sử dụng để mô tả một vật liệu nhân tạo sở hữu các tính chất độc đáo không được quan sát thấy trong tự nhiên - META có nghĩa là "" Ngoài "trong tiếng Hy Lạp.
Nhiều cấu trúc mạnh mẽ và đáng ngạc nhiên như vậy tồn tại trong tự nhiên, giống như của hoa huệ Victoria. Có nguồn gốc từ Nam Mỹ, chiếc lá nổi khổng lồ này đủ mạnh để hỗ trợ một người trưởng thành do cấu trúc mạng tinh thể độc đáo của các tĩnh mạch của nó.
Các cấu trúc của vật liệu nhân tạo có thể được thiết kế để bắt chước các loại thực vật này và các vật liệu xốp tự nhiên khác như san hô, với các mạng khác nhau từ các hình khối đơn giản đến những condecahedron phức tạp. Các lỗ chân lông trong các cấu trúc mạng này kết nối với nhau, hình thành các kênh. Được biết đến như các vật liệu "di động", các vật liệu mạng này thường đi kèm với sự đánh đổi sức mạnh nếu không được thiết kế đúng cách, theo các nhà nghiên cứu RMIT.
"Tuy nhiên, in 3D kim loại là một người thay đổi trò chơi, cho phép các nhà nghiên cứu thiết kế và chế tạo các kim loại di động mạnh và ánh sáng mạnh mẽ cao," Jordan Noronha, tiến sĩ. Ứng cử viên làm việc trong dự án tại RMIT.
Trong các vật liệu tế bào, mạng được kết nối theo ba chiều bằng các thanh hoặc dầm mỏng, được gọi là thanh chống. Thay vào đó, bằng cách sử dụng các thanh chống rỗng, các nhà nghiên cứu nhằm mục đích tạo ra một vật liệu tế bào mật độ thấp cũng mạnh như hợp kim kim loại rắn với mật độ tương tự như hợp kim magiê cường độ cao.
In siêu vật liệu
Nhóm nghiên cứu do Ma Qian, một giáo sư tại Trung tâm sản xuất phụ gia của RMIT, đã sử dụng quy trình in 3D gọi là "Fusion Bed Bed Fusion" để chế tạo các siêu vật liệu titan. Kỹ thuật này, xây dựng một lớp vật liệu từng lớp sử dụng chùm tia laser công suất cao, thường được sử dụng để chuẩn bị các bộ phận sản xuất phức tạp từ dưới một milimet có kích thước gần hai mét.
Qian giải thích cách tiếp cận của nhóm của mình. "Đầu tiên, toàn bộ mẫu siêu vật liệu mạng được thiết kế như một mô hình kỹ thuật số. Sau đó, mô hình này được cắt kỹ thuật số thành nhiều lớp mỏng bằng công cụ phần mềm."
"Quá trình chế tạo dựa trên lớp này bao gồm sự nóng chảy laser của bột kim loại, hóa rắn nhanh chóng của kim loại lỏng (bột kim loại tan chảy), và các quá trình làm nóng và làm mát lặp đi lặp lại của kim loại hóa rắn", ông xây dựng.
Qian cho biết toàn bộ quá trình hiện đang mất khoảng 18 giờ, nhưng thông qua tối ưu hóa, anh và nhóm của mình có kế hoạch rút ngắn khung thời gian trong tương lai.
Điều gì làm cho vật liệu trở nên mạnh mẽ như vậy?
Các thanh chống rỗng và các tấm mỏng là hai cấu trúc liên kết chịu trách nhiệm cho cường độ cao của siêu vật liệu. Không giống như hầu hết các vật liệu tế bào, chứa các điểm yếu trong đó tập trung căng thẳng, hai mạng bổ sung này phân phối đều căng thẳng trong khi cung cấp hỗ trợ.
"Lý tưởng nhất là sự căng thẳng trong tất cả các vật liệu tế bào nên được lan truyền đều," Qian giải thích. "Tuy nhiên, đối với hầu hết các cấu trúc liên kết, thông thường ít hơn một nửa vật liệu để chủ yếu chịu tải trọng nén, trong khi khối lượng vật liệu lớn hơn có cấu trúc không đáng kể."
"Thiết kế đa cực đại này cũng thúc đẩy sự lệch hướng của các đường dẫn vết nứt để tăng cường độ dẻo dai", ông nói thêm. "Thay vì các vết nứt xảy ra trực tiếp qua mạng, xảy ra trong hầu hết các vật liệu tế bào, trong cấu trúc liên kết tinh thể rỗng tấm mỏng của chúng tôi, các thanh chống và các tấm phối hợp với nhau để chuyển hướng các vết nứt dọc theo một con đường dài hơn."
Hợp kim magiê hiện đang được sử dụng trong các ứng dụng thương mại đòi hỏi sức mạnh cao và nhẹ. So với hợp kim magiê đúc mạnh nhất hiện có (WE54), một mẫu siêu vật liệu titan với mật độ tương đương mạnh hơn nhiều. Hợp kim magiê cũng không thể hợp nhất với phản ứng tổng hợp giường bột laser hoặc in 3D do sự bốc hơi của bột, mang lại cho hợp kim titan một lợi thế sản xuất.
Các bước tiếp theo và các ứng dụng tiềm năng
Trước khi tài liệu được thương mại hóa, Qian và nhóm của anh ấy trước tiên muốn đảm bảo rằng vật liệu thực hiện với hiệu quả tối đa của nó.
Để làm điều này, họ có kế hoạch cải thiện thiết kế hiện tại của họ để tăng cường và làm sáng các siêu vật liệu titan của họ hơn nữa. Ví dụ, dựa trên các mô phỏng số, chúng sẽ điều chỉnh tỷ lệ các tấm mỏng thành các thanh chống rỗng để cho phép phân phối ứng suất đồng đều hơn trong toàn bộ cấu trúc.
Theo các nhà nghiên cứu, nếu siêu vật liệu được chế tạo từ hợp kim titan nhiệt độ cao, nó có thể được sử dụng ở nhiệt độ lên đến 600 độ. Tính năng này, cùng với khả năng chống ăn mòn của nó, làm cho vật liệu phù hợp để sử dụng trong máy bay bay tốc độ cao hoặc tên lửa, phải có khả năng chịu được nhiệt cường độ mạnh do tốc độ cao của chúng. Máy bay không người lái Titan được sử dụng để giám sát chặt chẽ hoặc chống cháy rừng cũng sẽ được hưởng lợi từ trọng lượng nhẹ, sức mạnh và khả năng chống nhiệt của siêu vật liệu.
Bởi vì siêu vật liệu cũng tương thích sinh học, nó cũng có thể được sử dụng trong các thiết bị y tế như cấy ghép xương. Tuy nhiên, công nghệ này chưa có sẵn rộng rãi ở giai đoạn này, vì vậy việc áp dụng ngành công nghiệp có thể mất một thời gian. "Hạn chế quan trọng nhất của chúng tôi là tính độc quyền của công nghệ của chúng tôi và chi phí chế tạo có thể là một mối quan tâm quan trọng khác", Qian tuyên bố.
"Các quy trình sản xuất truyền thống không thực tế cho việc chế tạo các siêu vật liệu kim loại phức tạp này, và không phải ai cũng có máy tổng hợp giường bột laser trong kho của họ", ông nói thêm. "Tuy nhiên, khi công nghệ phát triển, nó sẽ trở nên dễ tiếp cận hơn, cho phép đối tượng lớn hơn thực hiện các siêu vật liệu đa cực mạnh của chúng tôi trong các thành phần của họ."
