材料和結(jié)構(gòu)的災(zāi)難性倒塌是局部受限損壞的連鎖反應(yīng)的必然結(jié)果-從產(chǎn)生小裂紋的實(shí)心陶瓷到在單個支柱翹曲后屈服的金屬空間桁架。在本周發(fā)表于《高級材料》上的一項研究中，加利福尼亞大學(xué)歐文分校和喬治亞理工學(xué)院的工程師描述了新型機(jī)械超材料的創(chuàng)建，這些材料能使變形非局部化以防止失效。他們這樣做是通過使用Tensegrity(一個世紀(jì)的設(shè)計原則)來完成的，在該原則中，將孤立的剛性桿集成到柔性的繩索網(wǎng)中，以生產(chǎn)非常輕便的，自張緊的桁架結(jié)構(gòu)。

該團(tuán)隊從950納米直徑的成員開始，使用先進(jìn)的直接激光寫入技術(shù)來生成尺寸在10到20微米之間的基本單元。它們被組裝成八個單元的超級電池，可以與其他單元組裝以形成連續(xù)的結(jié)構(gòu)。然后，研究人員進(jìn)行了計算建模和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，觀察到這些構(gòu)造物表現(xiàn)出獨(dú)特的均勻變形行為，而沒有局部的過應(yīng)力或使用不足。

研究小組表明，新的超材料的可變形性提高了25倍，能量吸收率比最新的晶格排列提高了數(shù)個數(shù)量級。

與其他兩個最先進(jìn)的納米級結(jié)構(gòu)相比，UCI和佐治亞理工學(xué)院的研究人員(中心)創(chuàng)建的張力晶格顯示出可變形性提高了25倍，能量吸收提高了一個數(shù)量級。圖片來源：Jens Bauer和Cameron Crook / UCI

UCI材料科學(xué)與工程教授Uren的資深合著者Lorenzo Valdevit說：“張力結(jié)構(gòu)已經(jīng)研究了數(shù)十年，特別是在建筑設(shè)計的背景下，最近在許多生物系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了張力結(jié)構(gòu)。建筑材料集團(tuán)。“幾年前，我們的合著者佐治亞理工學(xué)院的朱利安·里莫利(Julian Rimoli)在理論上僅對適當(dāng)?shù)闹芷谛詮埩Ц襁M(jìn)行了概念化，但是通過該項目，我們實(shí)現(xiàn)了這些超材料的首次物理實(shí)現(xiàn)和性能演示。”

在為行星著陸器開發(fā)結(jié)構(gòu)配置時，佐治亞理工學(xué)院的研究小組發(fā)現(xiàn)，以張力為基礎(chǔ)的車輛可以承受其單個組件的嚴(yán)重變形或屈曲而不會塌陷，這在其他結(jié)構(gòu)中是從未發(fā)現(xiàn)過的。

佐治亞理工學(xué)院航空工程學(xué)教授里莫利解釋說：“這給了我們創(chuàng)造利用相同原理的超材料的想法，這使我們發(fā)現(xiàn)了有史以來的第一個3D張力超材料。”

通過新穎的增材制造技術(shù)使之成為可能，基于微米級桁架和格架的極其輕便而堅固的剛性傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)引起了工程師的濃厚興趣，因?yàn)樗鼈兙哂刑娲w機(jī)，風(fēng)力渦輪機(jī)葉片和許多其他物體中較重的固體物質(zhì)的潛力。其他應(yīng)用程序。盡管這些高級材料具有許多理想的質(zhì)量，但它們可以像任何承重結(jié)構(gòu)一樣，在過載的情況下仍然易于遭受災(zāi)難性破壞。

UCI機(jī)械和航空航天工程研究科學(xué)家第一作者Jens Bauer說：“在熟悉的納米結(jié)構(gòu)材料中，失效通常始于高度局部的變形。” “一個區(qū)域的剪切帶，表面裂縫以及壁和支柱的屈曲會引起連鎖反應(yīng)，從而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)坍塌。”

他解釋說，當(dāng)受壓構(gòu)件屈曲時，桁架的格子開始坍塌，因?yàn)槭芾蔫旒軣o法承受。通常，這些部分在公共節(jié)點(diǎn)處互連，這意味著一旦發(fā)生故障，損壞會迅速擴(kuò)散到整個結(jié)構(gòu)中。

相反，張力結(jié)構(gòu)的壓縮構(gòu)件形成閉環(huán)，該閉環(huán)彼此隔離并且僅通過拉伸構(gòu)件連接。因此，壓縮構(gòu)件的不穩(wěn)定性只能通過拉伸載荷路徑傳播，前提是它們不會破裂，就不會經(jīng)歷不穩(wěn)定性。向下推拉張力系統(tǒng)，整個結(jié)構(gòu)均勻受壓，防止局部損壞，否則將導(dǎo)致災(zāi)難性的破壞。

據(jù)同時也是UCI機(jī)械和航空工程學(xué)教授的瓦爾德維特(Valdevit)所說，張力超材料顯示出前所未有的抗破壞性，極高的能量吸收，可變形性和強(qiáng)度的組合，勝過所有其他類型的最新輕型建筑。

他說：“這項研究為高級工程系統(tǒng)的設(shè)計提供了重要的基礎(chǔ)，從可重復(fù)使用的沖擊防護(hù)系統(tǒng)到適應(yīng)性的承重結(jié)構(gòu)。”

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