Materiaalkunde
Auxetische Materialen Hebben Veelzijdige Toepassingsgevallen. Geavanceerde Algoritmen Maken het Nu Gemakkelijker om ze te Creëren
Voeg Securities.io toe aan je voorkeursbronnen op Google
Auxetische materialen krimpen en zetten uit in de transversale richting wanneer ze respectievelijk onder axiale compressie en spanning worden geplaatst. Ze reageren op een manier die tegenintuïtief is voor gewone elastische materialen en vertonen daardoor een negatieve Poissonverhouding. Deze verhouding meet de vervorming in een richting loodrecht op de aangebrachte kracht. In tegenstelling tot de gebruikelijke elastische materialen worden auxetische materialen bij compressie dunner in de richting loodrecht op de aangebrachte kracht.
Deze materialen zijn de afgelopen decennia populair geworden vanwege hun nuttige eigenschappen, zoals een goede breuktaaiheid, hoge inslag-/impactweerstand, schuifmodulus, goede energieabsorptie, synclastische vervorming en hoge transversale rek. Ze beschikken ook over een hoge tandbestendigheid en superieure oppervlakt isotropie.
Al deze eigenschappen hebben auxetische materialen verrijkt, waardoor deze materialen breed inzetbaar zijn. In de volgende segmenten bekijken we enkele van deze toepassingsgevallen op het gebied van medische wetenschap en gezondheidszorg, voertuigtechniek, beschermingsengineering, kleding, enz.
Auxetische Materialen in de Gezondheidszorg en Medische Wetenschappen
Hoge-dichtheid auxetisch polyethyleen wordt gebruikt om kunstmatige intervertebrale schijven voor spinale chirurgie te ontwikkelen. Deze schijven kunnen buigen en draaien en kunnen mogelijk een verbeterde biomechanische prestatie bieden vergeleken met traditionele schijfvervangingsoplossingen. Hun auxetische eigenschappen voorkomen uitsteeksels die de omliggende zenuwuiteinden kunnen verwonden, waardoor de schijf het gedrag van een natuurlijke lumbale intervertebrale schijf perfect kan nabootsen.
Er werd ook een auxetische pedikelschroef voorgesteld om de biomechanische interactie tussen het omringende bot en de schroef te verbeteren, voornamelijk voor de wervelkolom.
Onderzoek heeft wetenschappers ook geholpen een auxetische geometrische coronaire stent te ontwikkelen op basis van 316L medisch roestvrij staal. Deze stent kan zowel radiaal als longitudinaal uitzetten en kan geoptimaliseerd worden voor een specifieke diameter en vaatlengte om een bepaald lumenvolume te creëren, waardoor de negatieve impact van de stent op de vaatwand wordt geminimaliseerd.
Auxetische materialen zijn ook nuttig gebleken in andere medische toepassingen, zoals heupimplantaatstelen, fixatie voor lange botten, hartpatches, nasofaryngeale swabs, orthopedische inlegzolen en meer. Ze zijn ook waardevol in weefselengineing en de fabricage van structuren en membranen voor in‑vitro medische apparaten.
Klik hier om te leren hoe geavanceerde additive engineering de weg vrijmaakt voor zachte robotica.
Auxetische Materialen in Voertuigtechniek
Recent onderzoek heeft aangetoond dat auxetische materialen en structuren een superieure ontwerpmethode kunnen bieden die de energieabsorptie-eigenschappen van traditionele dunwandige buisschokbrekers en energie-absorberende dozen verbetert.
Deze structuren zouden een grotere rigiditeit hebben, een voordeel in energieabsorptie bij botsingen met gemiddelde snelheid en een langere bufferperiode voor de energieabsorptie van de botsing en het versnelling‑remmingsproces van de inzittenden. Ze scoren ook hoog op het gebied van energieabsorptiecapaciteit, energieabsorptie‑efficiëntie en andere prestatie‑indices.
Een van de onderzoekers op dit gebied stelde specifiek een bumper voor die bestond uit een auxetische sandwich‑balkstructuur en een energie‑absorberend blok, geoptimaliseerd door een multi‑doel‑algoritme, wat de frontale botsbestendigheid van het voertuig verbeterde.
Auxetische Materialen in Beschermingsengineering
Het gebruik van auxetische structuren in beschermingsengineering ontstond door hun hoge energieabsorptie, verbeterde inslag‑compressieve sterkte en verbeterde schuifsterkte‑eigenschappen.
Het onderzoek hielp auxetische honingraat‑sandwichpaneelstructuren te vinden die de gewapende betonnen constructie kunnen beschermen tegen zware impact- en nabijheids‑explosielasten.
Ook hadden cilindrische sandwichpanelen met auxetisch effect sterkere explosiebestendigheidseigenschappen, en ze konden efficiënt worden gebruikt om robuuste vliegtuigomhulsels, ruimtevaartuigen, onderzeeërrompen, brandstoftanks, kolenmijnonderkomens en andere gebogen structuren te ontwerpen.
Auxetische Materialen in Kledingtechniek
De transversale uitzettings‑eigenschap van auxetische materialen onder belasting helpt bij het vormen van dubbele krommingen tijdens buigen. Deze eigenschap maakt het mogelijk dat kleding gemaakt van deze materialen zich aanpast aan de veranderende contouren van het menselijk lichaam tijdens beweging. Onderzoek toont aan dat auxetische stoffen voor zwangerschapskleding een lagere spanningsconcentratie vertonen vergeleken met traditionele tegenhangers. Ze zijn ook comfortabel om te dragen.
Dit brede scala aan toepassingsmogelijkheden heeft geleid tot een enorme vraag naar auxetische materialen. Om aan deze groeiende vraag te voldoen, hebben onderzoekers een driewegrecept ontwikkeld voor het ontwerpen van auxetische materialen op aanvraag.
Een Drie‑Stappenprocedure voor het Creëren van Auxetische Materialen op Vraag
Meer precies, deze onderzoekers hebben een algoritmisch hulpmiddel ontwikkeld dat helpt bij het nauwkeurig driedimensionaal ontwerpen van auxetica. Volgens de mede‑auteur van de studie, Edwin Chan, een materiaalkundig onderzoeker van NIST:
“We kunnen het materiaal daadwerkelijk optimaliseren om welke specifieke mechanische eigenschappen en gedrag je ook maar wilt.”
De onderzoekers hebben de wereld een verenigd kader gepresenteerd voor het beschrijven van bi-dimensionale perfecte auxetica. Deze presentatie is het resultaat van een groter besef dat het begrijpen en beheersen van de perfecte auxetische limiet ons in staat zou kunnen stellen realistische auxetica rationeel te ontwerpen met een op maat gemaakte geometrische structuur waarvoor de Poissonverhouding negatief blijft.
Terwijl ze de grotere betekenis van hun onderzoek toelichten, hadden de onderzoekers het volgende te zeggen:
“Onze theorie verenigt niet alleen een grote klasse van bestaande auxetica, inclusief eerdere auxetische rigide‑eenheidssystemen, maar maakt ook het creëren van een grote verscheidenheid aan auxetica mogelijk, met nieuwe en diverse geometrieën, inclusief het enigszins ontoegankelijke isotrope auxetische materiaal.”
Aangezien de onderzoekers geïnteresseerd waren in het begrijpen van het gedrag van perfecte auxetica, gebruikten ze het minimale bidimensionale model voor roterende eenheden. De eenheden bestonden uit een reeks polygonen die verbonden waren door veren met een natuurlijke lengte van nul. Elke rigide eenheid had drie vrijheidsgraden: twee translatieve en één rotatieve. Dit model hielp de opkomst van de auxetische floppy‑modus vast te stellen en introduceerde elasticiteit in materialen zodat niet‑ideale scenario’s ook bestudeerd konden worden.
Het resultaat van het wetenschappelijke onderzoek was een recept dat zou helpen perfecte auxetica te bouwen. Het zou drie ingrediënten vereisen:
- Een bipartiet netwerk zou de eenheden in staat stellen om ten opzichte van elkaar tegen te roteren.
- Aanvankelijk en in rust moeten de positie‑vectoren van elk paar aangrenzende polygonen en de hoekpunt daartussen collineair zijn.
- De verhouding tussen de afstand van een polygoon tot een van zijn hoekpunten en de afstand van de buurpolygoon tot hetzelfde hoekpunt moet constant zijn in het netwerk.
De onderzoekers benadrukken dat de uniekheid van hun theorie ligt in het feit dat deze niet beperkt is tot roosters en rechtstreeks toepasbaar kan zijn op wanordelijke netwerken. Dit maakt de bouw van de eerste isotrope perfecte auxetische materialen mogelijk. De onderzoekers geven ook aan dat hun theorie kan worden uitgebreid naar 3D polyhedrale materialen.
Hoewel dit onderzoek een doorbraak is, wordt er al geruime tijd gewerkt aan auxetische materialen. In de volgende segmenten bekijken we bedrijven die baanbrekend werk op dit gebied hebben verricht.
#1. Nike
Een van de toonaangevende merken die geavanceerd werk hebben verricht op het gebied van auxetische structuren is Nike. Nike’s patent nr US9402439B2 gaat over auxetische structuren die het bouwen van zolen met auxetische structuren mogelijk maken.
Gewoonlijk bestaat schoeisel uit ten minste twee hoofdcomponenten:
- Een bovenwerk dat de omsluiting biedt voor het ontvangen van de voet van de drager
- Een zool bevestigd aan het bovenwerk die fungeert als het primaire contact met de grond of het speeloppervlak
De zool kan drie subsegmenten bevatten: een binnenzool, een middenzool en een buitenzool. In het gepatenteerde Nike‑schoeisel is ten minste één laag van de zool gemaakt van een auxetische structuur. Deze wordt het auxetische laag genoemd.
Hardlopen, draaien, springen of accelereren met deze schoenen brengt de auxetische laag onder verhoogde longitudinale of laterale spanning, waardoor de lengte en breedte toenemen. Hierdoor biedt hij verbeterde grip en absorbeert hij een deel van de impact van het speeloppervlak.
Nike gelooft dat deze schoenen gunstig kunnen zijn voor een reeks sport- en recreatieve activiteiten, waaronder tennis en andere racketsporten, wandelen, joggen, hardlopen, wandelen, handbal, training, hardlopen of wandelen op een loopband, en teamsporten zoals basketbal, volleybal, lacrosse, veldhockey en voetbal.
NKE Prijsgrafiek
Voor het volledige fiscale jaar 2023 rapporteerde Nike een omzet van US$51,2 miljard, een stijging van 10 procent ten opzichte van het voorgaande jaar en een stijging van 16 procent op valutaneutrale basis.
#2. Airbus
Airbus Defence and Space ontving een patent op een vervormbare auxetische structuur en productieproces. De uitvinding is bedoeld om lichtgewicht bescherming te bieden tegen hoog-energetische impacten in vliegtuigrompen en -systemen door een enkel geïntegreerd sandwichpaneel dat gebruik maakt van het bidimensionale auxetische gedrag in de twee richtingen die het oppervlak van het paneel vormen.
Airbus suggereert dat dergelijke bescherming zeer nuttig zou zijn in sterk geïntegreerde achterste motor-aangedreven vliegtuigconfiguraties, inclusief Open‑Rotor of Boundary‑Layer Ingestion‑architecturen. In deze configuraties zijn beschermingsvoorzieningen (afschermingen) vereist vanwege veiligheidszorgen tegen hoog‑energetische impacten op de romp door propellerbladloslating (PBR) en motorafval (onbeperkte motorrotatiefout, kleine fragmenten en derde schijf).
De structuur heeft een auxetische opstelling bestaande uit een veelvoud van onderling verbonden aangrenzende driedimensionale auxetische cellen. Dit ontwerp zorgt ervoor dat, ongeacht of het oppervlakte‑element een vlak oppervlak, een gebogen oppervlak of een samenstelling van verschillende vlakke oppervlakken heeft, de resulterende structuur auxetisch gedrag vertoont op elk van deze vlakken. Bovendien zal het auxetisch gedrag vertonen in meer dan één dimensie loodrecht op de hoofdimpactrichting.
In 2023 registreerde Airbus een omzet van meer dan 65 miljard euro, een aanzienlijke stijging ten opzichte van de 58,8 miljard euro die in 2022 werd verdiend.
Het Creëren van Auxetische Materialen: Hoe de Toekomst Eruitziet
Het onderzoek dat onze discussie opende, kon vele doorbraken realiseren. Het kon een eenvoudig te volgen model bieden voor het creëren, ontwerpen en karakteriseren van roterende‑eenheid‑auxetica. Modellen die de theorie valideerden waren krachtig voor eenvoudige simulaties om materiaaleigenschappen te testen, terwijl buigkrachten werden genegeerd. De modellen konden echter ook buiging accommoderen indien nodig. Het werk leidde tot het vaststellen van de basisregels voor het creëren van nog nooit eerder geziene isotrope perfecte auxetica. Het enige wat nodig was, was meer onderzoek naar dynamische en vibratie‑analyse.
Hoewel onderzoek en verkenning een nooit eindigend proces is in wetenschap en technologie, moet er meer onderzoek worden gedaan naar de levensvatbaarheid van auxetische materialen als versterking, vooral voor dragende toepassingen. Overmatige vervormingen zijn nodig om de voordelen van auxetisch gedrag te activeren. Deze vervormingen kunnen de gebruiksbeperkingen overschrijden die voor structurele elementen bij statische belasting zijn gespecificeerd. In dit opzicht hebben onderzoekers gewezen op de noodzaak van op maat gemaakte ontwerpen die zowel sterkte‑ als stijfheidsvereisten vervullen.
Op het gebied van biomedische toepassingen ontstaat de behoefte aan 3D‑auxetica, die alleen kan worden bereikt door additive productietechnieken. Deze procedures moeten worden verbeterd om de langdurige prestaties van medische apparaten te waarborgen. Het geavanceerde, algoritme‑gebaseerde proces om auxetica te creëren kan in deze gevallen nuttig zijn, aangezien de meeste additive technologieën intrinsiek anisotrope resultaten opleveren door het laag‑voor‑laag proces, wat de mechanische prestaties van de oplossingen kan beïnvloeden.
Hoewel deze uitdagingen blijven bestaan, zijn onderzoekers hoopvol dat enkele toekomstige trends, indien succesvol opgeschaald, kunnen leiden tot een meer enthousiaste adoptie van auxetica. Dergelijke trends omvatten het creëren van synergieën tussen 4D‑printen en auxetische geometrieën, de productie van vormgeheugende materialen en mechanismen, enz.
Auxetica kunnen ook meer gebruik vinden in biohybride materialen, waarbij een auxetisch scaffold gekoloniseerd door cellen kan leiden tot meer autonome actuatoren. Volgens onderzoekers zijn deze materialen in staat om momenteel beschikbare “slimme,” actieve of multifunctionele materialen en structuren te overtreffen.
Een van de belangrijkste voorbeelden van het gebruik van biohybriden is in de vorm van micro‑robots met een auxetisch chassis en mechanismen die worden bediend door levende cellen. Deze oplossingen, met name de door elektrische stimulatie geactiveerde cardiomyocyten of musculoskeletale cellen, kunnen in de toekomst worden gebruikt als chirurgische actuatoren.
Al met al biedt auxetica ons een mijnenveld aan kansen. Het enige wat nodig is, is meer onderzoek en middelen om op te schalen en haalbare oplossingen te bieden die zeer lang meegaan.
