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浙大科学家受乌贼启发开3D打印抗冲击仿生结构

魔猴君  行业资讯   16天前

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中国浙江大学的研究人员已经开发出了一套具有独特能量吸收能力的新型仿生细胞状结构。受乌贼坚硬而灵活的骨架启发,科学家的3D打印模型被证明具有超强的抗压能力,能够承受高达自身重量20,000倍的变形。将来,该团队相信他们的设计可以复制到其他地方,以开发新型的轻质耐冲击材料,其应用范围从航空航天建造到装甲板。

科学家在论文中说:“具有最佳性能的类似乌贼骨的蜂窝材料非常适合在许多领域中应用,例如飞机,防弹衣,轻型车辆和建筑材料。除了常规的机械超材料以外,它们还为机械效率高的细胞结构提供了新的生物学设计。”

受自然启发的3D打印

自然世界充满了竹,轻木和某些动物骨头等材料的示例,这些材料超轻便,但具有极其耐用的细胞结构。不过,就刚性而言,墨鱼具有特别出色的多孔骨架,通过改变不同深度的浮力,它能够抵抗深海环境中的巨大静水压力。

为了确定墨鱼变形能力的精确来源,科学家因此选择对墨鱼标本进行微CT扫描。在压缩状态下,研究小组发现样品从一层到另一层连续破裂,但是当顶层受到破坏时,其底层仍然完好无损,这种机制旨在保护乌贼免受掠夺性攻击。

更重要的是,研究人员还发现了天然存在的文石矿物在海洋生物防御机制中的作用,以及其整体S形片状结构。利用这些信息,在随后的实验中,研究小组着手建立了具有刀骨状架构的3D打印蜂窝材料,从而最好地模仿了真品的形状和形成。

乌贼骨骼布局的SEM和micro-CT图像。图片来自“高级材料”期刊。

耐冲击仿生模型

为了更深入地评估乌贼骨的力学,科学家3D打印了五种仿生布局:八角形桁架格,开尔文泡沫,陀螺结构,开尔文三明治和蜂窝状三明治板。每个结构都具有在真实墨鱼中看到的层的简化版本,相互连接的墙壁模仿了它们的有机元素。在早期测试中,所有聚合物原型都在压缩状态下弯曲,但研究小组发现,标本壁的形状对其抵抗力产生了巨大影响。实际上,与其他常规形状的零件相比,科学家们不得不向类似乌贼骨的原型施加更大的压力,以使它们从侧面倒塌。

在这些最初发现的基础上,研究人员随后配制了一系列细胞材料,可以更好地模仿乌贼骨的结构和机械行为。与传统的聚合物泡沫相比,这些原型的能量吸收提高了20到25倍,并且最终证明它们能够在不损失结构完整性的情况下被整辆汽车碾磨。研究结束时,研究小组强调了3D打印如何为他们提供释放仿生材料潜力所需的设计自由度,并建议未来使用陶瓷或金属,可以制造出具有更大抵抗力的增强结构品质。

研究人员在论文中总结道:“具有轻质,高强度和出色的能量吸收能力,这种受生物启发的细胞材料可能会在航空航天结构和可植入设备等领域获得广泛的应用。我们的研究突出了通过生物启发的3D打印进行高性能细胞材料设计和工程的可能性。”

承重晶格的研究进展

尽管网格3D打印部件的高强度重量比在行业内是众所周知的,但科学家们仍在继续寻找产生新颖设计的方法。与浙江科学家一样,台湾科技大学的研究人员也采用了海洋启发的方法来创建一种新型的承重材料。根据海胆的形态,该团队的机械稳定FDM灯丝在打印过程中不需要使用任何支撑结构。

同样,菲尼克斯分析与设计技术公司也获得了美国航天局的755,000美元资助,以帮助开发更坚固,更轻的结构,以便在太空探索中使用。具体来说,该公司已获得研究资助,以创建一种软件工具,用于设计,测试和3D打印坚固,轻巧,受生物启发的航空航天格子。

在其他地方,加州大学伯克利分校的工程师展示了将3D打印的聚合物八边形格子结合到混凝土结构中的好处。通过将塑料整合到他们的印刷材料中,该团队发现他们可以减轻承重结构的重量,而不会降低其耐用性。


来源:https://www.3ddayin.net/xinwenpindao/guoneidongtai/40137.html

   

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