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TH的研究人員開發(fā)并制造了一系列能最大限度提高多孔輕質(zhì)材料剛度的結(jié)構(gòu)，開發(fā)更硬的設(shè)計實際上是不可能的。3d打印和其他添加劑生產(chǎn)技術(shù)使得制造內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有以前無法想象的復(fù)雜性材料成為可能。這對于輕質(zhì)建筑也很有趣，因為它可以開發(fā)出內(nèi)部空隙盡可能多的材料(使材料盡可能輕)，同時又盡可能堅固。要實現(xiàn)這一點，需要智能地組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以獲得最大的效率。  圖1/4 博科園-科學(xué)科普：德克·莫爾(Dirk Mohr)是制造材料計算建模教授，他領(lǐng)導(dǎo)的一個來自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院(ETH Zurich)和麻省理工學(xué)院(MIT)的研究團隊，開發(fā)和制造了在所有三個維度上都同樣堅固、同時又極其堅硬的材料結(jié)構(gòu)。從數(shù)學(xué)上確定具有內(nèi)部空洞的材料在理論上能有多硬是可能，莫爾的結(jié)構(gòu)已經(jīng)被證明非常接近這個理論的最大剛度。換句話說，在給定的重量下，幾乎不可能開發(fā)出更堅固的其他材料結(jié)構(gòu)。 板取代桁架 該設(shè)計的一個特點是，材料內(nèi)部的剛度是通過板格而不是桁架實現(xiàn)。桁架原理非常古老，長期以來，它被用于半木結(jié)構(gòu)房屋、鋼橋和鐵塔，如埃菲爾鐵塔。我們可以看穿桁架格，所以它們通常被認為是理想的輕量結(jié)構(gòu)，然而利用計算機計算、理論和實驗測量，現(xiàn)在已經(jīng)建立了一個新的板格結(jié)構(gòu)家族，其強度是相同重量和體積的桁架的三倍”(見框)。不僅這些結(jié)構(gòu)的剛度(抗彈性變形)接近理論最大值，它們的強度(抗不可逆變形)也接近理論最大值。  圖2/4 ETH的研究人員最初在計算機上開發(fā)了這些晶格，并計算了它們在這一過程中的性質(zhì)。然后他們從塑料到3d打印，以微米級的尺寸生產(chǎn)。然而莫爾強調(diào)，這種設(shè)計的優(yōu)點是普遍適用的——適用于所有組成材料，也適用于所有長度尺度，從非常小(納米大小)到非常大。 在他們的時代之前 莫爾和他的研究團隊在這些新格子上走在了時代的前列：目前3d打印的制造成本仍然相對較高。如果這些格子是由不銹鋼制成，每克的成本將和銀一樣高。但是當(dāng)加法制造技術(shù)為大規(guī)模生產(chǎn)做好準(zhǔn)備時，突破就會出現(xiàn)。輕質(zhì)結(jié)構(gòu)目前的成本限制了其在飛機制造和空間應(yīng)用方面的實際用途，因此也可用于重量起作用的廣泛應(yīng)用領(lǐng)域。  圖3/4 除了使結(jié)構(gòu)更輕，大量的空隙也減少了所需的原材料數(shù)量，從而也降低了材料成本。潛在的應(yīng)用沒有限制，醫(yī)用植入物、筆記本電腦外殼和超輕型汽車結(jié)構(gòu)只是眾多可能例子中的三個。當(dāng)時機成熟時，只要輕質(zhì)材料大規(guī)模生產(chǎn)出來，這些周期性的板格就會成為設(shè)計的首選。 在所有三個維度(從上到下，從左到右，從后到前)承受荷載時，板格都比桁架格具有明顯的優(yōu)勢。下面的思維實驗有助于理解這一點：想象兩個外墻很薄的立方體。在它們內(nèi)部有支柱，以防止立方體在施加外部壓力時被壓縮。一個立方體使用桁架，另一個使用板(見圖)。在這兩種情況下，材料的體積，因此內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重量是相同的。 如果從上面向桁架結(jié)構(gòu)(中心)施加一個力，三個柱(黃色)中的一個柱(黃色)會承受這個力。另外兩個支板(藍色)對穩(wěn)定性沒有貢獻，但如果力來自另一個方向，則需要它們。相反如果力從上面作用到板格(右)，三個板中的兩個有助于它的穩(wěn)定性(黃色的)，這種形式更好地利用了內(nèi)部struts，因此效率更高。圖片：ETH Zurich 博科園-科學(xué)科普｜研究/來自：蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院 參考期刊文獻:《Advanced Materials》 DOI: 10.1002/adma.201803334 博科園-傳遞宇宙科學(xué)之美 |
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