Fra rumfart til hjemmeapplikationer: Avancerede auxetiske måleinstrumenter klar til udbredt brug

Auxetiske materialer adskiller sig fra klassiske materialer ved, at de udviser negative Poisson‑tal. Med andre ord udvider auxetiske materialer sig i den vinkelrette tværgående retning, når der påføres en trækkræft i den længdegående retning. 

Forskere fortsætter med at lede efter auxetiske egenskaber i materialer. For nylig har Noah Stocek, en ph.d.-studerende, der samarbejder med den vestlige fysiker Giovanni Fanchini, udviklet et sådant nanomateriale. 

To-dimensionale auxetiske nanosheets

Begge forskere arbejdede på Interface Science Western for at udvikle 2‑D nanosheets af tungsten‑semikarbid, også kendt som W2C. Disse er kemiske forbindelser, der indeholder lige dele af wolfram‑ og carbonatomer. I overensstemmelse med auxetiske materialers egenskaber udvider disse nanomaterialer sig vinkelret på den påførte kraft, når de strækkes i én retning. 

Udviklingen er betydningsfuld, fordi det kun er det andet materiale, der kan udvide sig væsentligt på en måde, der er modsat klassiske materialer. Før dette var der kun ét rapporteret materiale, der kunne udvide sig med 10 % pr. enhedslængde på en kontraintuitiv måde. Det nuværende nanomaterial, tungsten‑semikarbid‑nanosheetet, kan udvide sig med 40 %. Det er en ny verdensrekord. Mens han forklarede denne præstation, sagde Stoeck: 

“I 2018 forudsagde teoretikere, at det kunne udvise denne adfærd på et fremragende niveau, men ingen havde kunnet udvikle det, på trods af omfattende forsøg fra forskningsgrupper over hele verden.”

For at forklare mere detaljeret, hvad Stoeck og Fanchini har udviklet, rapporterede de videnskabeligt og eksperimentelt om et specialdesignet dual‑zone fjern‑plasma‑aflejningssystem, der kunne vokse wolfram‑karbider ud af termodynamisk ubalance med velafstemte forhold mellem W‑ og C‑prækursorer. Undersøgelsen fremhævede de specifikke betingelser, under hvilke dette system tillod syntese af få‑lag‑tunge‑semikarbid‑flager (FL‑W2C). Disse flager var todimensionale, idet de kunne bevare deres periodiskhed på mesoskoptisk niveau i en Stranski–Krastanov‑vækstproces.

Et nyt skift fra kemiske metoder til plasmafysik

Udviklerduoen identificerede tidligt i processen, at det var umuligt at konstruere et nyt tungsten‑semikarbid‑nanomaterial ved hjælp af kemiske metoder. Som følge heraf skiftede de til plasmafysik med målet om at danne lag af enkelte atomer. 

For at udføre udviklingen af nanomaterialet ved at udnytte plasmametoder, bevægede udviklerduoen sig væk fra den konventionelle rute med specielle ovne, hvor gasser kunne opvarmes til høj temperatur for at reagere kemisk og danne stoffet. De designede et nyt tilpasset instrument‑system til produktion af plasma, som indeholder elektrisk ladede partikler. 

Anvendelser af det nyudviklede nanomateriale

En af de mest nyttige potentielle anvendelser af disse nanosheets kunne være en radikalt ny type strækningsmåler. Disse målere kunne måle udvidelse på en meget effektiv måde og strække sig i alt fra flyvinger til husholdningsrør.

Da disse materialer er mere elektrisk ledende, kan de bruges i sensorer eller enheder til at opdage ændringer og forskydninger i miljøet. Ikke kun kan de opdage disse materialer, men på grund af deres ‘sensor’-kapacitet, kan de også sende information til anden elektronik. 

Mens han uddybdede en af de mulige anvendelser, sagde Stoeck:

“Forestil dig, at du vil vide, om et rør i dit hus deformeres og risikerer at sprænge på et tidspunkt. Du kan fastgøre en sensor på røret lavet af dette todimensionale nanomateriale og derefter bruge en computer til at overvåge den strøm, der løber igennem det. Hvis strømmen stiger, betyder det, at røret udvider sig og risikerer at sprænge.”

I fremtiden vil yderligere udvikling af auxetiske egenskaber i et materiale helt sikkert føre til nye løsninger. På nuværende tidspunkt er virksomheder som Michigan Scientific Corporation og Omega dybt involveret i fremstilling og udvikling af strækningsmålere. Disse virksomheder kunne begynde at udnytte denne udvikling og det producerede nanomateriale som et resultat til at udvide deres produkt‑/løsningsportefølje. 

#1. Omega

Omega, et DwyerOmega‑brand, kan udnytte nanomaterialet til yderligere at forstærke sin robuste og alsidige linje af strækningsmålere. Dens membran‑strækningsmålere kan måle strain og stress i en række anvendelser, herunder tryk, kraft, forskydning og strain i metaller, plast og kompositter. Den dobbelte parallelle strækningsmåler‑linje hjælper pålideligt med at måle bøjningstress i mange anvendelser. 

Omega har også torsions‑ og shear‑strækningsmålere, lineære strækningsmålere, T‑rosette‑strækningsmålere og rosette‑strækningsmålere. Med stramme tolerancer for lettere justering tilbyder Omegas målere pålidelig ydeevne og langtidsholdbar stabilitet. Dens Full Bridge‑ og Half Bridge‑strækningsmålere demonstrerer fremragende linearitet over kompatibilitet med et bredt temperaturinterval. 

Dens T‑Rosette‑strækningsmålere kan måle effekterne af temperatur, belastning og vibration på komponenter. De er især nyttige til at måle biaxiale spændinger med kendte hovedretninger.

Virksomheden er perfekt placeret til enten at udvikle en ny produktlinje baseret på auxetiske måleinstrumenter eller udvide sin eksisterende produktlinje med auxetiske egenskaber. 

DwyerOmega opstod som et brand efter Dwyer Instruments, Inc. aftalte at erhverve OMEGA Engineering, Inc. fra Spectris plc (LSE:SXS) for cirka 530 millioner $ den 19. april 2022. Dwyer betalte 525 millioner $ til en værdiansættelse på cirka 20,4‑gange Omegas justerede EBITDA for 2021. For regnskabsåret 2021 genererede Omega en omsætning på £129 millioner (≈ 168 millioner $) og justeret EBITDA på £19,7 millioner (≈ 25,7 millioner $).

#2. Michigan Scientific Corporation

Michigan Scientific Corporation, et privat ejet firma med base i Charlevoix, Michigan, USA, er kendt for at tilbyde en række ingeniørtjenester, produkter og løsninger. Et område, hvor dette firma kunne udnytte udviklingen fremragende, er deres strækningsmåler‑tjenester. 

Firmaet er specialist i design og fremstilling af skræddersyede strækningsmåler‑transducere, som kan anvendes i mange tilfælde, herunder måling af køretøjs‑affjedringskræfter, drivlinjetorques, styringskomponentkræfter, motor‑ og motorbelastninger samt bremsetorques på køretøjer i felten. 

Michegens løsninger omfatter akseltorques‑transducere, krumtapaksel‑transducere, shear‑pin‑transducere samt produkter til halvaksel‑strækningsmåling, drivaksel‑strækningsmåling, aksial‑kraftmåling og mere. 

Disse løsnings instrumenteringsapplikationer inkluderer kredsløbs‑board‑instrumentering til overvågning af stress, termisk kammer‑dørpaneler overvåget for deformation under fremstilling, og fuldt instrumenterede industrielle drivaksler.Disse løsninger indsamler og analyserer også data opnået fra de projekter, hvori de er implementeret. 

Vi har allerede set, at de ‘sensor’-kapaciteter, som de nyudviklede strækningsmålere har, tilføjer værdi. Dette ville også være en værdiforøgelse for Morgan Scientific Corporation, som beskæftiger sig med installation af strækningsmålere på stedet hos kunder for at instrumentere kundens komponenter og registrere data til støtte for en række test‑ og udviklingsaktiviteter. 

Andre væsentlige nylige fremskridt inden for auxetik

Auxetik i civilbyggeri

Ifølge rapporter offentliggjort i International Journal of Protective Structures finder auxetiske materialer stigende anvendelse inden for felter relateret til civilingeniørkunst. De kan kombineres med cementbaserede materialer i en række former, herunder skum‑mørtel‑komposit, stof‑mørtel‑komposit og fiberforstærket cementkomposit. 

Auxetiske skumlags, for eksempel, viser sig nyttige ved eftermontering af skrøbelige murstensvægge under kompression. De øger markant den post‑yield strain‑hærdningseffekt i cementkompositen.

Auxetiske stoffer giver højere shear‑stivhed og bemærkelsesværdig brudstyrke. Som følge heraf er disse kompositter nyttige til at overvinde udfordringerne ved den lave trykstyrke af Auxetisk Skum‑Mørtel (AFM), som har en porøs struktur og lav densitet.

Den auxetiske fiberforstærkede cementkomposit løser mange af de konventionelle cementbaserede materialers ulemper, herunder dårlig duktilitet, utilstrækkelig trækstyrke, og lav brudstyrke.

Auxetik i fibre

Auxetiske fibre kan anvendes i en række områder, herunder kompositmaterialer, personligt beskyttelsesbeklædning, polstring, reb, snore, fiskenet og meget mere. De egenskaber, som auxetiske fibre giver disse anvendelsesområder, omfatter fiber‑træk‑modstand, fiber‑brudstyrke, energibesparelse, densifikation og indrykningsmodstand, slagmodstand og mere.

Auxetik i biomedicin 

Auxetik kan bidrage betydeligt til de biomedicinske undersegmenter af proteser, kirurgiske implantater, sutur‑/muskel‑/ligament‑ankre og endda dilatatorer, der hjælper med at åbne blodkar under hjertekirurgi. 

Auxetik til forbedring af kvaliteten af piezoelektriske materialer

Elektroder kan bygges af auxetiske metaller. Disse elektroder kunne fungere ved at lægge en piezoelektrisk polymer mellem to lag eller indlejre piezoelektriske keramiske stænger i en auxetisk polymermatrix. De har en betydelig forbedringskapacitet for piezoelektrisk ydeevne og kan øge enhedens følsomhed med mindst en faktor på to og op til så meget som hundrede.

Anvendelse af auxetik i filtre

Rengøring af tilstoppede filtre er muligt ved brug af auxetisk skum og bikube‑filtre. Specifikt hjælper de auxetiske indlæg med at justere filterporerne til en effektiv størrelse og form. De kompenserer også for effekterne af trykopbygning i et tilstoppet filter. Et auxetisk filter kan åbne porerne i begge retninger—langs og tværs over den påførte trækbelastning.

Design af auxetiske materialer på efterspørgsel

Som de ovenstående segmenter demonstrerer, udvides brugen af avanceret auxetik hurtigt og spreder sig dagligt til nye anvendelsesområder. For at imødekomme denne efterspørgsel har forskere allerede gennemført værdifulde studier om design af auxetiske materialer på efterspørgsel.

I 2022, en undersøgelse med titlen ‘A tre‑trins opskrift på design af auxetiske materialer på efterspørgsel‘ blev offentliggjort, hvor forskerne etablerede en samlet ramme til at beskrive todimensionale perfekte auxetikere med potentiel anvendelse i design af nye materialer. 

Undersøgelsen byggede stærkt på den naturlige forbindelse mellem roterende stive enheder og antiferromagnetiske spin‑systemer. Forskerne uddybdede også betingelserne, der fremmer fremkomsten af en ikke‑triviel floppy‑tilstand, som forårsager auxetisk adfærd. 

Undersøgelsen pegede på tre designs for nye auxetikere: en eksotisk krystal, en Penrose‑quasicrystal og en længe ønsket isotrop auxetik. Undersøgelsen hævdede, at auxetiskheden i disse designs kunne forblive robust under små strukturelle forstyrrelser, bekræftet af eksperimenter og numeriske simuleringer. 

Teorien repræsenterede hvert design ved en minimal model. Disse modeller var baseret på polygoner og fjedre, der kunne indfange modellernes essentielle kollektive respons på eksterne belastninger. 

Forskerne håbede, at disse modeller kunne simuleres direkte for at teste materialers egenskaber, mens bøjning kræfter ignoreres. En anden væsentlig præstation ved forskningsresultaterne var deres evne til at generalisere adfærden af auxetiske domænevægge og naturlige teksturer, som disse systemer har på grund af deres analogi med magnetiske systemer.

Endelig hævdede de involverede i forskningen, at den var banebrydende, idet den kunne fastlægge grundreglerne for at skabe aldrig‑set‑før‑isotrope perfekte auxetikere. De var også håbefulde om, at forskningen kunne finde anvendelse i produktion af 3D‑polyhedrale materialer.

Klik her for at lære om potentialet i nanoskal 3D‑printning.

Vejen frem for avanceret auxetik

Det er nu bevist uden tvivl, at auxetiske strukturer har bevæget sig ud over fasen med et enkelt design til skræddersyede løsninger, der kan tjene en række funktioner. Dens udvikling har set varianter af elementære 2D‑mønstre, hybride strukturer og innovative, præstationsorienterede dimensionelle opgraderinger. Udviklingen har også oplevet en udvidelse af listen over materialer, der kan have indlejrede auxetiske egenskaber. Listen over kompatible materialer inkluderer nu polymerer, keramik, metaller, biomaterialer, cement, tekstiler og cementbaserede forbindelser.

Diversificerede strukturelle modeller og generaliserede fremstillingsmodeller – begge har set forbedringer, hvilket har resulteret i auxetisk adfærd af materialer med høj stivhed. Forskere og teknologer ser også på de stress‑redistribuerende egenskaber ved auxetiske materialer. 

Dog skal visse udfordringer overvindes, før auxetik kan blive mere avanceret. For eksempel kræver ydeevne under høj‑hastigheds‑impact og mekanismerne for deformation og svigt yderligere undersøgelse. Mere arbejde er nødvendigt med implementering af slag‑modstand. Tilstrækkelig opmærksomhed på disse aspekter kunne gøre auxetik til et videnskabeligt og teknologisk træk med enorm værdi i hverdagslivet.

Klik her for listen over fem virksomheder, der leder udviklingen af nanoteknologi.