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轻若鸿毛?探索微晶格阻尼材料背后的3D打印与材料科学

发布时间:2018-11-09 访问次数:301次 来源:3D虎 分享:

关于微晶格阻尼材料和可重复吸收能量的方法,据市场研究,当前波音公司与HRL实验室有着颇为深入的研究。

波音公司曾在2015年展示了他们独特的3D打印微点阵结构材料的巨大潜力,并且波音相信这是世界上最轻的金属。该材料的研发背景是2011年由波音子公司HRL实验室为国防高级研究计划局(DARPA)开始研发的。重量比塑料更轻,壁结构比人的头发丝还细一千倍,密度仅为0.9毫克/ CC,该结构是一种由相互连接的空心管金属晶阵,这使得它具有非常强的抗压缩能力和高水平的吸收力。

那么此类微晶格结构的制造思路和商业用途具体是怎样的呢?本期,我们将逐一揭示其背后的理念与技术:3D打印与材料学,结构力学的结合。

不再依赖于温度

通过3D打印技术创造的这一突破性的金属结构,其基本的架构是通过UV光固化聚合物形成的模板。然后使用化学电镀的方法为模板镀上一层超薄的镍,再除掉热聚合物模板材料,只留下空心的金属结构。该金属结构的99.99%都是空气,纳米固体结构只占0.01%,空心管壁厚度仅100纳米,比头发细1000倍。

在此之前,市场上通常使用的是粘弹性阻尼材料,这些材料通过在应力下滑动的聚合物链吸收能量,不过,粘弹性聚合物的功效强烈依赖于温度,因此,粘弹性聚合物仅在较小的温度范围内表现出高阻尼系数,而在极端温度下则性能较差。

通过利用中空管弯曲的能量吸收机构(如微晶格所提供的),HRL实验室的研究结果可以提供高阻尼的性能,特别是适用于声学,振动或冲击领域的阻尼用途。

据市场研究,HRL实验室实现的中空管壁厚与直径之比小于3.ε,中空管直径在10微米到10厘米之间。材料方面,中空管由金属、陶瓷和塑料材料形成。微晶格适于在大于300摄氏度的温度,低于负100摄氏度的温度或在超过200摄氏度的温度范围内提供阻尼用途。

阻尼的物理意义是力的衰减,或物体在运动中的能量耗散。通俗地讲,就是阻止物体继续运动。一般来说,材料的阻尼系数越大意味着其减震效果或阻尼效果越好。但是并不是阻尼越大越好,阻尼大到一定程度时两个物体之间变成了刚性连接。

当然,微晶格需要阈值应力以触发屈曲和伴随的能量吸收等特性是可以设计的。

通过制造这种具有类似于粘弹性阻尼材料的金属或陶瓷微晶格材料,同时保留金属或陶瓷的优点,例如温度不敏感(与粘弹性仅20-30摄氏度范围相比)。

可期待的商业化前景

关于微点阵结构的商业化应用,我们曾介绍过Incase利用Carbon的20台3D打印平台来设计和生产更先进的移动设备保护设备,这是业内首个3D打印的新型弹性体复杂结构设计的移动设备防护解决方案。

这样的微晶格材料还可用作吸声器,其比传统的吸声器更薄更轻。另外,它可以用在汽车中作为减振器来减弱声音并提供冲击保护。可扩展的商业化前景包括可以用作约束层阻尼器,以抑制平面或旋翼机机身中板的振动。

这是一种具有较低的重量,较低的温度依赖性和多功能特性的材料,而3D打印让这种新型的材料成为现实。