html текст
All interests
  • All interests
  • Design
  • Food
  • Gadgets
  • Humor
  • News
  • Photo
  • Travel
  • Video
Click to see the next recommended page
Like it
Don't like
Add to Favorites

Метаматериал достиг максимума теоретически рассчитанных границ упругости


UCSB Engineering

В современных технологиях требуются легкие материалы, способные выносить значительные нагрузки. На сегодняшний день самые легкие материалы этого класса представляют собой структуры, имитирующие пчелиные соты. Эти механические метаматериалы обладают специфическими свойствами, обусловленными геометрией их структуры и составом: такие свойства недостижимы в однородных плотных материалах. Однако, показатели упругости известных метаматериалов не достигают максимума теоретически рассчитанных пределов — верхней границы так называемой вилки Хашина-Штиркмана, которая определяет пределы упругости композитного материала. В новой работе ученые представили новый метаматериал, геометрическая структура которого позволяет достичь этого теоретического верхнего предела. Описание работы опубликовано в журнале Nature.

Для отбора самых многообещающих материалов исследователи изучили зависимость модуля упругости Юнга от плотности материала для различных материалов и геометрических структур. Полученная карта позволила исключить из рассмотрения материалы, которые заведомо не могут достичь верхних пределов упругости — таким образом, в частности, были отброшены материалы с сотовой структурой.

Пространство свойств изотропных и близких к изотропным материалов (зависимость модуля упругости Юнга от плотности материала). Метаматериалы с неоптимальной производительностью были исключены из исследования. Теоретическая оценка ограничивает производительность материала и определяется максимально возможной производительностью, достигаемой монокристаллом алмаза и пустой системой.

J. B. Berger et al. / Nature

Исследователи изучили свойства нескольких геометрических структур на основе замкнутых ячеек: кубическую, октаэдрическую и комбинированную (куб + октаэдр), образец на основе квази-случайной пены, полученной при помощи диаграммы Вороного, и два образца на базе решеток, с кубическим и октаэдрическим основаниями. Эти образцы представляют репрезентативную выборку материалов с высокими показателями упругости. При помощи компьютерного моделирования ученые проанализировали распределение энергии деформации в этих структурах при разных типах нагрузки.

Топология шести ячеистых структур, взятых для изучения. Все шесть обладают одинаковой объемной долей твердого вещества

J. B. Berger et al. / Nature

Самые высокие показатели упругости продемонстрировали материалы со структурой, построенной из упорядоченных замкнутых ячеек: они обеспечивают максимально равномерное распределение энергии деформации при осевых разнонаправленных нагрузках, деформации сдвига и гидростатических нагрузках, в то время как структуры на основе решеток показали слабые места — они более подвержены сгибам и деформациям из-за неравномерного распределения нагрузки внутри структуры. Более того, моделирование показало, что структуры на базе решеток в принципе не могут достичь теоретических верхних границ упругости, независимо от состава.

Распределение энергии деформации при осевой нагрузке. Степень деформации откалибрована для визуализации распределения нагрузки. Двумерная связность материалов с закрытыми ячейками обеспечивает эффективное распределение нагрузки, при этом материалы с открытыми ячейками имеют области с высокой концентрацией нагрузки

J. B. Berger et al. / Nature

Распределение энергии деформации при сдвиге. Степень деформации откалибрована для визуализации распределения нагрузки

J. B. Berger et al. / Nature

Распределение энергии деформации при гидростатической нагрузке. Степень деформации откалибрована для визуализации распределения нагрузки. В максимально жестких материалах распределение нагрузки практически равномерно; в материалах с квази-случайными ячейками возможны сгибы и смятие структуры

J. B. Berger et al. / Nature

Наиболее прочным оказался материал, комбинированная структура которого построена на основе кубов и октаэдров (схема а) на рисунках выше): такая геометрия позволяет достичь теоретической верхней границы вилки Хашина-Штиркмана и обеспечивает максимальную прочность при любых нагрузках, независимо от направления прикладываемой силы нагрузки. Этот механический метаматериал обладает низкой плотностью, а также множеством других преимуществ: геометрия его структуры позволяет выдерживать без деформации высокие ударные и длительные нагрузки, обеспечивать звуко- и теплоизоляцию, а также этот материал можно использовать при создании легких воздушных и водных транспортных средств. Геометрия нового материала такова, что его можно получать при помощи 3D-печати или даже собрать по принципу оригами, сгибая и складывая основу — то есть она достаточно проста для того, чтобы производить материал в промышленных масштабах.

Ученые отмечают, что упругие свойства материала зависят не только от геометрической структуры, но и от состава: так, наиболее прочные материалы могут быть получены из бериллия, карбида бора, а также углеродных композитных материалов и легких сплавов. Следующий этап исследований — определение оптимального состава материала, который обеспечит максимально высокие показатели упругости при наименьшей стоимости.

Надежда Бессонова

Читать дальше
Twitter
Одноклассники
Мой Мир

материал с nplus1.ru

5

      Add

      You can create thematic collections and keep, for instance, all recipes in one place so you will never lose them.

      No images found
      Previous Next 0 / 0
      500
      • Advertisement
      • Animals
      • Architecture
      • Art
      • Auto
      • Aviation
      • Books
      • Cartoons
      • Celebrities
      • Children
      • Culture
      • Design
      • Economics
      • Education
      • Entertainment
      • Fashion
      • Fitness
      • Food
      • Gadgets
      • Games
      • Health
      • History
      • Hobby
      • Humor
      • Interior
      • Moto
      • Movies
      • Music
      • Nature
      • News
      • Photo
      • Pictures
      • Politics
      • Psychology
      • Science
      • Society
      • Sport
      • Technology
      • Travel
      • Video
      • Weapons
      • Web
      • Work
        Submit
        Valid formats are JPG, PNG, GIF.
        Not more than 5 Мb, please.
        30
        surfingbird.ru/site/
        RSS format guidelines
        500
        • Advertisement
        • Animals
        • Architecture
        • Art
        • Auto
        • Aviation
        • Books
        • Cartoons
        • Celebrities
        • Children
        • Culture
        • Design
        • Economics
        • Education
        • Entertainment
        • Fashion
        • Fitness
        • Food
        • Gadgets
        • Games
        • Health
        • History
        • Hobby
        • Humor
        • Interior
        • Moto
        • Movies
        • Music
        • Nature
        • News
        • Photo
        • Pictures
        • Politics
        • Psychology
        • Science
        • Society
        • Sport
        • Technology
        • Travel
        • Video
        • Weapons
        • Web
        • Work

          Submit

          Thank you! Wait for moderation.

          Тебе это не нравится?

          You can block the domain, tag, user or channel, and we'll stop recommend it to you. You can always unblock them in your settings.

          • nplus1.ru
          • ученые
          • исследования
          • домен nplus1.ru

          Get a link

          Спасибо, твоя жалоба принята.

          Log on to Surfingbird

          Recover
          Sign up

          or

          Welcome to Surfingbird.com!

          You'll find thousands of interesting pages, photos, and videos inside.
          Join!

          • Personal
            recommendations

          • Stash
            interesting and useful stuff

          • Anywhere,
            anytime

          Do we already know you? Login or restore the password.

          Close

          Add to collection

             

            Facebook

            Ваш профиль на рассмотрении, обновите страницу через несколько секунд

            Facebook

            К сожалению, вы не попадаете под условия акции