Materiały kompozytowe z nadrukiem 3D oparte na super-mocnej wypustce Mantis Shrimp

Naśladowanie rozwiązań już odkrytych w przyrodzie w celu opracowania trwałych ludzkich rozwiązań nazywa się biomimikrą i problem, który badacze często próbują rozwiązać za pomocą tej praktyki - zwracanie się ku jeżom, homarom, a nawet muszlom i łuskom ryb - to ulepszone wyposażenie ochronne .

Dwa lata temu zespół naukowców z Uniwersytetu Purdue i Uniwersytetu Kalifornijskiego w Riverside opublikował badania dotyczące wykorzystania druku 3D do opracowania super mocnych materiałów inspirowanych tęczową krewetką modliszki, i niedawno opublikowały dwa nowe artykuły na temat swojej pracy. Ich praca jest finansowana przez Biuro Badań Naukowych US Air Force, Multi-University Research Initiative oraz nagrodę CAREER przyznawaną przez National Science Foundation.

Nie dajcie się zwieść jego rozmiarowi - to małe stworzenie dzięki swojemu klubowi daktylowi można spakować wielki cios. Ten pięściopodobny wyrostek może uwolnić uderzenia z prędkością mniej więcej równą prędkości pocisku kaliber 22, co pomaga mu pokonać ofiarę, tak jak mięczaki i kraby.

Obszar uderzenia struktury odpornej na uderzenia jest utworzony krystalicznego fosforanu wapnia, który otacza włókna chitynowe w unikalnej strukturze w jodełkę, która chroni pałkę, a także nadaje jej większy moment uderzenia.

W 2016 r. zespół pracował nad opracowaniem materiałów, które używaj zarówno odpornej na uderzenia struktury jodełkowej daktylowej, jak i jej zewnętrznej powłoki ochronnej, aby uzyskać mocniejszy osprzęt ochronny. W tym czasie struktura jodełki nigdy wcześniej nie była obserwowana w naturze ... co nie ma miejsca.

Pablo Zavattieri, profesor w Lyle School of Civil Engineering w Purdue, powiedział: "Jednak jesteśmy widząc tę ​​samą strategię projektowania nie tylko u krewetek modliszki, ale także u wielu zwierząt. Chrząszcze wykorzystują je na przykład w swoich muszlach, a my widzimy je również w łuskach ryb, homarach i krabach. "

Najnowsze odkrycia zespołu pokazują, że unikalna konstrukcja w jodełkę faktycznie zapobiega uszkodzeniom, powodując pęknięcia skrętne wzory włókien chitynowych. Materiał kompozytowy pancerza zatrzymuje pęknięcia przed skręcaniem, ponieważ w rzeczywistości tak się zwiększa. Włókna materiału, które są ułożone w helioidalną architekturę podobną do spiralnych schodków, prowadzą do skręcania - to sprawia, że ​​określony wzór jest tak twardy. Gdy tworzą się pęknięcia, podążają za skręconym wzorem, zamiast rozchodzić się prosto,co spowodowałoby niepowodzenie CD3D .

"Mechanizm ten nigdy wcześniej nie był szczegółowo badany. To, co odkrywamy, to fakt, że gdy pęknięcie skręca siłą napędową do wzrostu, pękanie stopniowo zmniejsza się, co sprzyja powstawaniu innych podobnych mechanizmów, które zapobiegają katastrofalnemu rozpadowi materiału "- wyjaśnia Zavattieri. "Myślę, że możemy wreszcie wyjaśnić, dlaczego materiał jest tak twardy.

" Nowością tej pracy jest to, że po stronie teorii opracowaliśmy nowy model, a po stronie eksperymentalnej wykorzystaliśmy ustalone materiały tworzyć kompozyty, które potwierdzają tę teorię. "

Kisailus powiedział:" Ta ekscytująca nowa praca analityczna, obliczeniowa i eksperymentalna, która jest kontynuacją naszej wstępnej charakterystyki biokompozytowej helikoidów w klubie mantis shrimp's club i biomimetycznej pracy kompozytowej , naprawdę zapewnia głębszy wgląd w mechanizmy hartowania w obrębie tej unikalnej struktury. "

Poprzedni naukowcy odkryli, że architektura helicoid klubu daktylowego została specjalnie zaprojektowana, aby przetrwać ciągłe uderzenia o dużej prędkości. Teraz nowe obrazy z mikroskopu elektronowego UC Riverside pokazują, że powstają liczne pęknięcia, które rozpraszają energię, którą materiał pochłania podczas uderzenia.

Zespół Purdue-UC Riverside stworzył i przetestował wydrukowane na 3D kompozyty, które zostały wzorowane na tym zachowanie. Byli w stanie nawet użyć kamer i cyfrowych technik korelacji obrazu, aby uchwycić to unikalne zachowanie podczas pękania w celu zbadania deformacji materiału.

Zavattieri powiedział: "Tworzymy nowe mechanizmy, które wcześniej nie były dla nas dostępne. kompozyty. Tradycyjnie, kiedy produkujemy kompozyty, łączymy włókna w sposób, który nie jest optymalny, a natura uczy nas, jak powinniśmy to robić. "

John L. Bray, wybitny profesor inżynierii, Byron Pipes, nawet pomógł stworzyć pewne kompozyty wzmocnione włóknem szklanym, które włączyłyby to zachowanie. Badania te mogą pomóc w opracowaniu mocniejszych, lżejszych materiałów dla wielu zastosowań, takich jak sport, motoryzacja i lotnictwo.