Schneiden Sie einen Knochen auf und Sie werden eine subtil ungeordnete Struktur sehen. Winzige Strahlen, die Trabeculae genannt, verbinden sich in unregelmäßigen Mustern, verteilten Stress und die Ausleihe der Knochen eine beeindruckende Zähigkeit. Was wäre, wenn von Menschen hergestellte Materialien ähnliche Eigenschaften aufweisen könnten?
In einem neuen Papier in Verfahren der National Academy of Sciences NexusForscher von Penn Engineering, Penn Arts & Sciences und der Aarhus University stellten fest, dass das Hinzufügen der richtigen Störung der Struktur bestimmter Materialien sie mehr als doppelt so weit gegen Risse resistent machen kann.
Der Befund öffnet die Tür zu einer weiteren Verwendung von sogenannten „mechanischen Metamaterialien“, einer Klasse von Material oder Steifheit pro Gewicht.
Bis zu diesem Zeitpunkt war eine der größten Herausforderungen durch mechanische Metamaterialien ihre Zerbrechlichkeit. „Die Zähigkeit ist ein begrenzender Faktor für nicht alle, sondern viele 3D-gedruckte mechanische Metamaterialien“, sagt Kevin Turner, Professor und John Henry Towne Department Vorsitzender für Maschinenbau und angewandte Mechanik (MEAM) bei Penn Engineering und der leitende Autor des Papiers.
Dieses neue Ergebnis verspricht, dieses Problem und zu relativ geringen Kosten anzugehen. „Ohne das Material überhaupt zu ändern, nur indem Sie die interne Geometrie verändern“, sagt Turner, „können Sie die Zähigkeit um das 2,6 -fache erhöhen.“
Von der Natur inspiriert
Natürliche Materialien weisen häufig eine Störung in kleinen Maßstäben auf. Neben dem menschlichen Knochen verweisen die Forscher auf Nakrone, das schillernde Material in Muscheln und die Fäden Muscheln zum Anbringen an Oberflächen. Diese Materialien enthalten nicht regelmäßige Wiederholungsstrukturen, sondern enthalten winzige, scheinbar zufällige Schwankungen im Raum zwischen ihren strukturellen Komponenten.
Seit Jahrzehnten haben sich die Ingenieure von der Natur inspirieren, aber oft durch die Replikation einfacher Herstellungsstrukturen wie ein Wabenmuster, das das Gewicht eines Materials reduziert und gleichzeitig seine Stärke aufrechterhält. Wabenstrukturen finden Sie in einigen Pappverpackungen und den Metallverstärkungen in Flugzeugflügeln. „Das ist ein sehr regelmäßiges Muster“, betont Turner.
Im Gegensatz dazu zeigten die in der Arbeit getesteten Metamaterialien eine breite Palette von Mustern, von regulär bis stark ungeordnet. „Die Proben, die die besten durchführten, in denen es für einen Riss am schwierigsten war, bestand nicht aus regelmäßigen Wiederholungsmustern“, sagt Sage Fulco, ein Postdoktorandenforscher in Meam und der Hauptautor der Zeitung. „Sie hatten eine andere Geometrie in verschiedenen Bereichen.“
Testen der Grenzen der Störung
Um zu testen, ob eine Störung mechanische Metamaterialien schwieriger wird, führten die Forscher Tausende von Rechenmechanik -Simulationen zahlreicher verschiedener Muster durch, die alle auf einem dreieckigen Gitter basieren, das als Fachwerk bezeichnet wird. In einigen Fällen wurden die Dreiecke in perfekter Symmetrie angeordnet, während das Muster gestört wurde, indem die Knoten bewegt worden waren, in denen sich die Dreiecke treffen.
Das Team setzte die Muster den Runden der Computersimulationen aus und erstellte physische Versionen einer repräsentativen Geometrien, darunter sowohl geordnete Geometrien als auch solche mit unterschiedlichen Störungen.
Als sie versuchten, die Materialien – im Labor und in den Simulationen – zu brechen, entstand ein klarer Trend. „Es gab eine bestimmte Störung, so dass die Muster, die wir in das Material einschnitten, etwas regelmäßig, aber nicht gerade symmetrisch aussahen, wo wir in der Lage waren, die höchste Leistung zu erzielen“, sagt Fulco.
Das richtige Gleichgewicht treffen
Die perfekte Störung – nicht zu wenig oder zu viel – behielt den größten Teil der Stärke und Steifheit des Materials bei gleichzeitiger Verbesserung der Zähigkeit, hatte aber wesentlich mehr Anstrengungen, um zu entwerfen als eine sich wiederholende Struktur. „Unordentliche Systeme werden im Ingenieurwesen nicht oft verwendet, da das Design viel komplexer ist“, betont Turner.
Fulco arbeitete mit Michael Budzik, Associate Professor für Maschinenbau und Produktionstechnik an der Aarhus University, zusammen, um den Herstellungsprozess zu optimieren, und reiste nach Dänemark, um einen extrem präzisen Laserschneider in Budziks Labor zu verwenden, um die Muster zu schnitzen. „Ich musste unser experimentelles Setup komplett wieder aufbauen, um ihre Herstellungsgeräte zu nutzen“, sagt Fulco. „Aber das ermöglichte es den Experimenten, tatsächlich erfolgreich zu sein.“
Visualisieren der Stärke der Störung
Um zu verstehen, wie die ungeordneten Strukturen die Zähigkeit verstärkt haben, führte das Team ein Experiment durch, das in Zusammenarbeit mit Douglas Durian, Mary Amanda Wood Professor für Physik und Astronomie bei Penn Arts & Sciences und Hongyi Xiao, damals ein Postdoktorand in Durians Labor, konzipiert wurde. (Die vier waren Forscher in Penn’s Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC).
Wenn bestimmte Materialien – einschließlich des Polymers, in das Fulco die Muster schneidet – gedehnt werden, ihre Doppelbrechung, eine Eigenschaft, die sich in zwei verschiedene Wege aufspaltet, ändert sich. Das Erscheinungsbild des Materials wird durch den richtigen Aufbau mit unterschiedlichen mechanischen Spannungsniveaus verlagert.
Durch das Aufnehmen von Bildern von Proben mit unterschiedlichen Mustern – einige mit einem regelmäßigen Muster und andere mit unterschiedlichen Störungen -, konnten die Forscher genau visualisieren, was als Risse geschah, die durch die Materialien ausbreiteten.
Kurz gesagt, die Störung verhinderte, dass Risse in geraden Linien reisen. „Damit der Riss durch ein ungeordnetes Material wächst, muss Schäden über einem viel größeren Bereich auftreten“, sagt Fulco. In Bildern, die vom Team aufgenommen wurden, erscheinen Frakturereignisse in einer geraden Linie in der symmetrischen Probe näher zusammen, sind jedoch im optimal gestörten.
Über das Labor hinausgehen
In Zukunft hoffen die Forscher, dass ihre Ergebnisse zu einer breiteren Erforschung von gestörten Mustern in mechanischen Metamaterialien und mechanischen Konstruktionen fördern. „Wir haben Dreiecke verwendet, aber diese Arbeit ist sehr grundlegend“, sagt Fulco. „Andere Gruppen können es auf viele verschiedene Geometrien anwenden.“
Der Erfolg des von Natur inspirierten Designs deutet auch darauf hin, dass Ingenieure möglicherweise wesentlich mehr aus der Gestaltung natürlicher Materialien lernen können. „Die Kombination verschiedener Arten von Materialien und das Hinzufügen verschiedener Geometrien auf verschiedenen Maßstäben sind sehr aufregende Möglichkeiten“, sagt Fulco. „Das sehen wir, wenn wir uns die höchsten natürlichen Materialien ansehen.“
Letztendlich stellt das Team diese Fortschritte vor, die zur Entwicklung verbesserter Materialien und Strukturen mit Anwendungen in Branchen wie Aerospace führen, in denen sich das Widerstand gegen das Risswachstum und das Tolerieren von Schäden kritisch darstellen. „Wir ermöglichen eine breitere Verwendung mechanischer Metamaterialien in strukturellen Anwendungen, indem wir einen geometrischen Weg identifizieren, um die Zähigkeit zu erhöhen“, sagt Turner.
Diese Studie wurde an der Penn Engineering, der University of Pennsylvania School of Arts & Sciences und der Aarhus University durchgeführt und von der MRSEC-Programm der National Science Foundation (NSF) (Awards DMR-1720530 und DMR-2309043), dem Absolventen der National Defense Science & Investition, unterstützt. (NDSEG) Fellowship Program und The Villum Foundations unter dem Villum Experiment Program (VIL50302).
