Mae metamaterial wedi'i seilio ar ditaniwm yn datgloi cryfder y tu hwnt i natur.

Gallai metamaterial titaniwm arloesol gyda chryfder ac amlochredd digymar chwyldroi gweithgynhyrchu a hedfan cyflym.

Mae deunydd titaniwm ysgafn, cryfder uchel wedi'i beiriannu a allai arwain at ddyfeisiau meddygol cryfach a dyluniadau arloesol cerbydau a llongau gofod. Defnyddiodd y tîm ymchwil aloi titaniwm cyffredin, ti -6 al -4 V, i adeiladu'r "metamaterial", term a ddefnyddir i ddisgrifio deunydd artiffisial sy'n meddu ar briodweddau unigryw nad yw wedi'i arsylwi mewn natur - mae meta yn golygu " y tu hwnt "mewn Groeg.

Mae llawer o strwythurau mor gywrain a rhyfeddol o gryf yn bodoli ym myd natur, fel strwythur Lily Dŵr Victoria. Yn frodorol i Dde America, mae'r ddeilen arnofio enfawr hon yn ddigon cryf i gefnogi oedolyn oherwydd strwythur dellt unigryw ei wythiennau.

Gellir cynllunio strwythurau deunyddiau o waith dyn i ddynwared y planhigion hyn a deunyddiau mandyllog naturiol eraill fel cwrel, gyda gwahanol dellt sy'n amrywio o giwbiau syml i dodecahedronau cymhleth. Mae'r pores yn y strwythurau dellt hyn yn rhyng -gysylltu, gan ffurfio sianeli. Fe'i gelwir yn ddeunyddiau "cellog", mae'r deunyddiau dellt hyn yn aml yn dod â chyfaddawd cryfder os na chânt eu cynllunio'n iawn, yn ôl yr ymchwilwyr RMIT.

"Fodd bynnag, mae argraffu 3D metel yn newidiwr gêm, sy'n caniatáu i ymchwilwyr ddylunio a ffugio metelau cellog ysgafn a chryf iawn," meddai Jordan Noronha, Ph.D. ymgeisydd a weithiodd ar y prosiect yn RMIT.

Mewn deunyddiau cellog, mae delltau wedi'u cysylltu mewn tri dimensiwn gan wiail tenau, solet neu drawstiau o'r enw Struts. Trwy ddefnyddio rhodfeydd gwag yn lle, nod yr ymchwilwyr oedd gwneud deunydd cellog dwysedd isel yr un mor gryf ag aloi metelaidd solet gyda dwysedd tebyg i aloion magnesiwm cryfder uchel.

Argraffu'r metamaterial

Defnyddiodd y tîm ymchwil dan arweiniad Ma Qian, athro yng Nghanolfan Gweithgynhyrchu Ychwanegol RMIT, broses argraffu 3D o'r enw "ymasiad gwely powdr laser" i ffugio'r metamaterials titaniwm. Defnyddir y dechneg hon, sy'n llunio haen faterol fesul haen gan ddefnyddio trawst laser pwerus, yn gyffredin i baratoi rhannau gweithgynhyrchu cymhleth o lai na milimetr hyd at bron i ddau fetr o faint.

Esboniodd Qian ddull ei dîm. "Yn gyntaf, mae'r sampl metamaterial dellt gyfan wedi'i ddylunio fel model digidol. Yna, mae'r model hwn wedi'i sleisio'n ddigidol i lawer o haenau tenau gan ddefnyddio teclyn meddalwedd."

"Mae'r broses saernïo haen hon yn cynnwys toddi laser o bowdrau metel, solidiad cyflym y metel hylif (y powdrau metel wedi'i doddi), a phrosesau gwresogi ac oeri dro ar ôl tro y metel solid," ymhelaethodd.

Dywed Qian fod y broses gyfan yn cymryd tua 18 awr ar hyn o bryd, ond trwy optimeiddio, mae ef a'i dîm yn bwriadu byrhau'r ffrâm amser yn y dyfodol.

Beth sy'n gwneud y deunydd mor gryf?

Struts gwag a phlatiau tenau yw'r ddwy dopoleg sy'n gyfrifol am gryfder uchel y metamaterial. Yn wahanol i'r mwyafrif o ddeunyddiau cellog, sy'n cynnwys pwyntiau gwan lle mae straen yn canolbwyntio, mae'r ddwy dellyn cyflenwol hyn yn dosbarthu straen yn gyfartal wrth ddarparu cefnogaeth.

"Yn ddelfrydol, dylid lledaenu'r straen ym mhob deunydd cellog yn gyfartal," esboniodd Qian. "Fodd bynnag, ar gyfer y mwyafrif o dopolegau, mae'n gyffredin i lai na hanner y deunydd ddwyn y llwyth cywasgol yn bennaf, tra bod y cyfaint mwy o ddeunydd yn ddibwys yn strwythurol."

"Mae'r dyluniad aml-dopoleg hwn hefyd yn hyrwyddo gwyro llwybrau crac i wella'r caledwch," ychwanegodd. "Yn lle'r craciau sy'n digwydd yn uniongyrchol trwy'r dellt, sy'n digwydd yn y mwyafrif o ddeunyddiau cellog, yn ein topoleg dellt strutiau gwag plât tenau, mae'r rhodfeydd a'r platiau'n gweithio gyda'i gilydd i ddargyfeirio'r craciau ar hyd llwybr hirach."

Ar hyn o bryd mae aloion magnesiwm yn cael eu defnyddio mewn cymwysiadau masnachol sy'n gofyn am gryfder uchel ac ysgafn. O'i gymharu â'r aloi magnesiwm cast cryfaf sydd ar gael (WE54), mae sampl o'r metamaterial titaniwm â dwysedd tebyg yn gryfach o lawer. Nid yw aloion magnesiwm chwaith yn agored i ymasiad gwely powdr laser neu argraffu 3D oherwydd anweddiad y powdr, gan roi mantais weithgynhyrchu i'r aloi titaniwm.

Camau nesaf a chymwysiadau posib

Cyn i'r deunydd gael ei fasnacheiddio, mae Qian a'i dîm yn gyntaf eisiau sicrhau bod y deunydd yn perfformio ar ei effeithlonrwydd mwyaf.

I wneud hyn, maent yn bwriadu gwella eu dyluniad cyfredol i gryfhau ac ysgafnhau eu metamaterials titaniwm hyd yn oed yn fwy. Er enghraifft, yn seiliedig ar efelychiadau rhifiadol, byddant yn addasu cyfran y platiau tenau i rhodfeydd gwag i ganiatáu dosbarthiad straen mwy unffurf trwy'r strwythur cyfan.

Yn ôl yr ymchwilwyr, os yw'r metamaterial wedi'i ffugio o aloi titaniwm tymheredd uchel, gellir ei ddefnyddio ar dymheredd hyd at 600 gradd. Mae'r nodwedd hon, ynghyd â'i gwrthiant cyrydiad, yn gwneud y deunydd yn addas i'w ddefnyddio mewn awyrennau hedfan cyflym neu daflegrau, y mae'n rhaid iddo allu gwrthsefyll y gwres dwys a gynhyrchir gan eu cyflymderau uchel. Byddai dronau titaniwm a ddefnyddir i fonitro neu frwydro yn erbyn tanau gwyllt hefyd yn elwa o bwysau ysgafn, cryfder a gwrthiant gwres y metamaterial.

Oherwydd bod y metamaterial hefyd yn biocompatible, gellid ei ddefnyddio hefyd mewn dyfeisiau meddygol fel mewnblaniadau esgyrn. Fodd bynnag, nid yw'r dechnoleg ar gael yn eang eto ar hyn o bryd, felly gallai ei mabwysiadu gan ddiwydiant gymryd cryn amser. "Ein cyfyngiad pwysicaf yw detholusrwydd ein technoleg, a gallai cost saernïo fod yn bryder pwysig arall," nododd Qian.

"Nid yw prosesau gweithgynhyrchu traddodiadol yn ymarferol ar gyfer gwneuthuriad y metamaterials metel cymhleth hyn, ac nid oes gan bawb beiriant ymasiad gwely powdr laser yn eu warws," ychwanegodd. "Fodd bynnag, wrth i'r dechnoleg ddatblygu, bydd yn dod yn fwy hygyrch, gan alluogi cynulleidfa fwy i weithredu ein metamaterials aml-dopoleg cryfder uchel yn eu cydrannau."