TH的研究人員開(kāi)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(kāi)發(fā)更硬的設(shè)計(jì)實(shí)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(wú)法想象的復(fù)雜性材料成為可能。這對(duì)于輕質(zhì)建筑也很有趣，因?yàn)樗梢蚤_(kāi)發(fā)出內(nèi)部空隙盡可能多的材料(使材料盡可能輕)，同時(shí)又盡可能堅(jiān)固。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，需要智能地組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以獲得最大的效率。

博科園-科學(xué)科普：德克?莫爾(Dirk Mohr)是制造材料計(jì)算建模教授，他領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)來(lái)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(tuán)隊(duì)，開(kāi)發(fā)和制造了在所有三個(gè)維度上都同樣堅(jiān)固、同時(shí)又極其堅(jiān)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(gè)理論的最大剛度。換句話說(shuō)，在給定的重量下，幾乎不可能開(kāi)發(fā)出更堅(jiān)固的其他材料結(jié)構(gòu)。

板取代桁架

該設(shè)計(jì)的一個(gè)特點(diǎn)是，材料內(nèi)部的剛度是通過(guò)板格而不是桁架實(shí)現(xiàn)。桁架原理非常古老，長(zhǎng)期以來(lái)，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(rèn)為是理想的輕量結(jié)構(gòu)，然而利用計(jì)算機(jī)計(jì)算、理論和實(shí)驗(yàn)測(cè)量，現(xiàn)在已經(jīng)建立了一個(gè)新的板格結(jié)構(gòu)家族，其強(qiáng)度是相同重量和體積的桁架的三倍”(見(jiàn)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(qiáng)度(抗不可逆變形)也接近理論最大值。

ETH的研究人員最初在計(jì)算機(jī)上開(kāi)發(fā)了這些晶格，并計(jì)算了它們?cè)谶@一過(guò)程中的性質(zhì)。然后他們從塑料到3d打印，以微米級(jí)的尺寸生產(chǎn)。然而莫爾強(qiáng)調(diào)，這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是普遍適用的——適用于所有組成材料，也適用于所有長(zhǎng)度尺度，從非常小(納米大小)到非常大。

莫爾和他的研究團(tuán)隊(duì)在這些新格子上走在了時(shí)代的前列：目前3d打印的制造成本仍然相對(duì)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(shí)，突破就會(huì)出現(xiàn)。輕質(zhì)結(jié)構(gòu)目前的成本限制了其在飛機(jī)制造和空間應(yīng)用方面的實(shí)際用途，因此也可用于重量起作用的廣泛應(yīng)用領(lǐng)域。

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(méi)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(gè)。當(dāng)時(shí)機(jī)成熟時(shí)，只要輕質(zhì)材料大規(guī)模生產(chǎn)出來(lái)，這些周期性的板格就會(huì)成為設(shè)計(jì)的首選。

在所有三個(gè)維度(從上到下，從左到右，從后到前)承受荷載時(shí)，板格都比桁架格具有明顯的優(yōu)勢(shì)。下面的思維實(shí)驗(yàn)有助于理解這一點(diǎn)：想象兩個(gè)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(shí)被壓縮。一個(gè)立方體使用桁架，另一個(gè)使用板(見(jiàn)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(gè)力，三個(gè)柱(黃色)中的一個(gè)柱(黃色)會(huì)承受這個(gè)力。另外兩個(gè)支板(藍(lán)色)對(duì)穩(wěn)定性沒(méi)有貢獻(xiàn)，但如果力來(lái)自另一個(gè)方向，則需要它們。相反如果力從上面作用到板格(右)，三個(gè)板中的兩個(gè)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(lái)自：蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院

參考期刊文獻(xiàn):《Advanced Materials》

DOI: 10.1002/adma.201803334

博科園-傳遞宇宙科學(xué)之美