Університет RMIT
Инженерам из Королевского технологического университета в Мельбурне удалось разработать новый удивительно прочный материал.
Он очень прочный при сжатии и имеет необходимую жесткость для использования в строительстве и дизайне упаковок для продуктов. На создание этого материала разработчиков вдохновила сложная структура скелета глубоководной тихоокеанской губки, известной своей упругостью. Двойная решетчатая структура материала имитирует скелет этого удивительного существа.
Как отмечает один из ведущих авторов исследования, доктор Цзяминг Ма, многочисленные испытания и постоянное совершенствование подтвердили, что конструктивно материал не только обладает повышенной прочностью и жесткостью, а также способен сжиматься при сжатии, что позволяет легко использовать его во многих различных областях деятельности. Именно способность сжиматься, известная как ауксетическое поведение, открывает целый ряд возможностей для использования конструкции в строительстве и других сферах.
«В то время как большинство материалов становятся тоньше при растяжении или толще — при сжатии, как резина, ауксетики делают противоположное. Ауксетики способны эффективно поглощать и распределять энергию удара, что делает их чрезвычайно полезными», — объясняет Цзяминг Ма.
Среди природных ауксетиков — сухожилия, кошачья кожа. В то же время аналогичные синтетические материалы используются в производстве сердечно-сосудистых стентов, которые расширяются и сужаются по необходимости
Несмотря на то, что ауксетики обладают большим количеством полезных свойств, их низкая жесткость и ограниченная способность к поглощению энергии ограничивают диапазон применения этих материалов. Разработанная австралийскими инженерами структура двойной решетки имеет большое значение, поскольку лишена всех выше перечисленных недостатков.
«Каждая решетка сама по себе подвержена традиционной деформации, но если объединить их, как это делает природа на примере глубоководной губки, то она саморегулируется и сохраняет свою форму, превосходя по своим характеристикам аналогичные материалы с довольно значительным отрывом», — убеждает Цзяминг Ма
Результаты испытаний продемонстрировали, что при одинаковом количестве материала двойная решетка в 13 раз жестче традиционных ауксетиков. К тому же она способна поглощать на 10% больше энергии, не теряя при этом своих свойств, с диапазоном деформации, увеличенным на 60%, по сравнению с существующими конструкциями.
По словам доктора Нгок Сан Ха, структура такой удивительно прочной решетки обеспечивает надежную основу для разработки экологически чистых зданий будущего.
«Наш ауксетический метаматериал с высокой жесткостью и поглощением энергии может обеспечить значительные преимущества во многих секторах: от строительных материалов до защитного оборудования, спортивного инвентаря и медицинских приложений», — уверен Нгок Сан Ха
Например, биоинспирированная решетчатая структура может быть использована в качестве стального каркаса здания, позволяя использовать меньше стали и бетона для достижения тех же результатов, что и традиционный каркас. Разработанный материал также может лечь в основу легкого спортивного защитного снаряжения, бронежилетов или медицинских имплантатов.
Разработчики провели испытания конструкции с помощью компьютерного моделирования и тестов в лабораторных условиях с использованием образца, напечатанного на 3D-принтере из термопластичного полиуретана. Теперь они планируют изготовить стальные образцы с использованием этой конструкции и совместить их с бетонными и земляными.
«Хотя эта разработка может иметь перспективу применения в спортивном оборудовании, средствах индивидуальной защиты и медицинских приложениях, мы в первую очередь сосредоточены на строительном аспекте Мы разрабатываем более экологичный строительный материал, используя уникальное сочетание выдающейся ауксетичности, жесткости и поглощения энергии, присущее нашей конструкции, для сокращения использования стали и цемента в строительстве. Его ауксетические и энергопоглощающие свойства также могут помочь гасить вибрации во время землетрясений», — отмечает Цзяминг Ма
Материал опубликован в журнале Science
Источник: SciTech Daily