Materialvetenskap
Auxetiska material har många användningsområden. Avancerade algoritmer gör dem nu enklare att skapa
Lägg till Securities.io bland dina föredragna källor på Google
Auxetiska material krymper och expanderar i tvärriktningen när de utsätts för axial kompression respektive spänning. De reagerar på ett sätt som är motsägelsefullt mot vanliga elastiska material och uppvisar därför ett negativt Poissons tal. Detta tal mäter deformationen i en riktning vinkelrät mot den applicerade kraften. Till skillnad från vanliga elastiska material blir auxetiska material, vid kompression, tunnare i den riktning som är vinkelrät mot den applicerade kraften.
Dessa material har blivit populära under de senaste decennierna på grund av sina användbara egenskaper, såsom god brottseghet, hög indenterings-/stötmotstånd, skjuvmodul, god energibindning, synklastisk deformation och hög tvärsträckning. De har också hög dentmotstånd och överlägsen ytisotropi.
Alla dessa egenskaper har berikat auxetiska material, vilket säkerställer att dessa material har bred användbarhet. I de följande avsnitten kommer vi att titta på några sådana användningsområden inom medicinsk vetenskap och sjukvård, fordonsingenjörskonst, skyddsteknik, klädindustri osv.
Auxetiska material inom sjukvård och medicinsk vetenskap
Högdensitet auxetisk polyeten används för att utveckla artificiella intervertebrala skivor för ryggkirurgi. Dessa skivor kan böjas och vridas och kan potentiellt ge förbättrad biomekanisk prestanda jämfört med traditionella skivbyten. Deras auxetiska egenskaper förhindrar bulor som kan skada omgivande nervändar, vilket gör att skivan perfekt efterliknar beteendet hos en naturlig lumbal intervertebral skiva.
En auxetisk pedikelskruv föreslogs också för att förbättra den biomekaniska interaktionen mellan den omgivande benvävnaden och skruven, främst för ryggraden.
Forskning har också hjälpt forskare att utveckla ett auxetiskt geometriskt kranskärlsstent baserat på 316L medicinsk rostfri stål. Detta stent kan expandera både i radiala och longitudinella riktningar och kan optimeras för en specifik diameter och kärlängd för att skapa en viss lumenvolym, vilket minimerar stentens negativa påverkan på kärlväggen.
Auxetiska material har också visat sig användbara i andra medicinska tillämpningar, såsom höftimplantatstammar, fixering för långa ben, hjärtpatchar, nasofaryngeala provpinnar, ortopediska innersulor och mer. De är också värdefulla inom vävnadsengineering och tillverkning av strukturer och membran för in‑vitro medicintekniska enheter.
Klicka här för att lära dig hur avancerad additiv ingenjörskonst banar väg för mjukrobotik.
Auxetiska material inom fordonsingenjörskonst
Ny forskning har visat att auxetiska material och strukturer kan erbjuda en överlägsen designmetod som förbättrar energibindningskarakteristiken hos traditionella tunnväggade rörstötfångare och energibindande lådor.
Dessa strukturer skulle ha större styvhet, fördel i energibindning vid medelhastighetskollisioner och längre bufferttid för energibindning av kollisionen samt accelerations‑decelerationsprocessen för passagerarna. De får också höga poäng när det gäller energibindningskapacitet, energibindningseffektivitet och andra prestationsindex.
En av forskarna inom detta område föreslog specifikt en stötfångare som bestod av en auxetisk sandwichbärrstruktur och en energibindande blockkombination optimerad med en multi‑objektiv algoritm, vilket förbättrade fordonets frontala krocksäkerhet.
Auxetiska material inom skyddsteknik
Användningen av auxetiska strukturer inom skyddsteknik uppstod på grund av deras höga energibindning, förbättrade indenteringskompressionsstyrka och förbättrade skjuvstyrkeegenskaper.
Forskningen bidrog till att hitta auxetiska honungskakssandwichpanelstrukturer som kan skydda den armerade betongstrukturen mot kraftiga slag och närliggande explosioner.
Dessutom hade cylindriska sandwichpaneler med auxetisk effekt starkare sprängmotståndsegenskaper och de kan användas för att effektivt designa robusta flygplansskal, rymdfarkoster, ubåtsskrov, bränsletankar, kolgruvskydd och andra krökta strukturer.
Auxetiska material inom klädteknik
Den tvärgående expansionsegenskapen hos auxetiska material under belastning hjälper till att bilda dubbla krökningar vid böjning. Denna egenskap gör att kläder tillverkade av dessa material kan anpassa sig till kroppens föränderliga konturer under rörelse. Forskning visar att auxetiska tygförlossningskläder har lägre spänningskoncentration jämfört med traditionella motsvarigheter. De är också bekväma att bära.
Detta breda spektrum av tillämpningsmöjligheter har lett till en ökad efterfrågan på auxetiska material. För att möta denna växande efterfrågan har forskare utvecklat ett trestegsschema för att designa auxetiska material på begäran.
En trestegsprocedur för att skapa auxetiska material på begäran
Mer exakt har dessa forskare utvecklat ett algoritmverktyg som hjälper till med exakt tredimensionell design av auxetiska material. Enligt studiens medförfattare, Edwin Chan, materialforskningsingenjör från NIST:
“Vi kan faktiskt optimera materialet så att det har vilka specifika mekaniska egenskaper och beteenden du vill ha.”
Forskarnas har presenterat världen med ett enhetligt ramverk för att beskriva tvådimensionella perfekta auxetiker. Denna presentation är ett resultat av en större insikt att förståelse och kontroll av den perfekta auxetiska gränsen kan göra det möjligt att rationellt designa realistiska auxetiska material med en skräddarsydd geometrisk struktur där Poissons tal förblir negativt.
När de utvecklade den större betydelsen av sin studie hade forskarna följande att säga:
“Vår teori förenar inte bara en stor klass av befintliga auxetiker, inklusive tidigare auxetiska rigida enhetssystem, utan möjliggör också att skapa ett stort antal av dem, med nya och varierande geometrier, inklusive det något svårfångade isotropa auxetiska materialet.”
Eftersom forskarna var intresserade av att förstå beteendet hos perfekta auxetiker använde de den minsta tvådimensionella modellen för roterande enheter. Enheterna bestod av en serie polygoner kopplade med fjädrar utan naturlig längd. Varje rigid enhet hade tre frihetsgrader: två translationella och en rotationsfrihet. Denna modell hjälpte till att fastställa framträdandet av den auxetiska fladdrande modusen och introducerade elasticitet i material så att icke‑ideala scenarier också kunde studeras.
Resultatet av den vetenskapliga undersökningen presenterades i form av ett recept som skulle hjälpa till att bygga perfekta auxetiker. Det kräver tre ingredienser:
- Ett bipartit nätverk skulle möjliggöra att enheterna roterar mot varandra.
- Initialt och i vila måste varje par av intilliggande polygoners positionsvektorer och den gemensamma vertexen vara kollineära.
- Förhållandet mellan avståndet från en polygon till en av dess vertexer och avståndet från dess granne till samma vertex måste vara en konstant i nätverket.
Forskarna betonar att deras teoris unikhet ligger i att den inte är begränsad till gitter och kan tillämpas direkt på oordnade nätverk. Detta möjliggör byggandet av de första isotropa perfekta auxetiska materialen. Forskarnas teori kan också utökas till 3D‑polyedriska material.
Även om denna forskning är ett genombrott har arbetet med auxetiska material pågått under en längre tid. I de följande avsnitten kommer vi att titta på företag som har bedrivit banbrytande arbete med dem.
#1. Nike
Ett av de ledande varumärkena som har gjort sofistikerat arbete inom detta område av auxetiska strukturer är Nike. Nikes patent nr US9402439B2 behandlar auxetiska strukturer som underlättar konstruktion av sulor med auxetiska strukturer.
Vanligtvis består skor av minst två huvudkomponenter:
- En ovandel som ger ett hölje för att ta emot bärarens fot
- En sula fäst vid ovandelen som fungerar som den primära kontakten mot marken eller spelunderlaget
Sulorna kan bestå av tre delsegment: en innersula, en mellansula och en yttre sula. I Nikes patenterade skor är minst ett lager av sulan gjort av en auxetisk struktur. Det kallas för det auxetiska lagret.
Att springa, svänga, hoppa eller accelerera med dessa skor utsätter det auxetiska lagret för ökad longitudinell eller lateral spänning, vilket ökar dess längd och bredd. Därmed ger det förbättrat grepp och absorberar en del av påverkan från spelunderlaget.
Nike tror att dessa skor kan vara fördelaktiga för en rad sport- och fritidsaktiviteter, inklusive tennis och andra racketsporter, promenader, jogging, löpning, vandring, handboll, träning, löpning eller gång på löpband samt lagsporter som basket, volleyboll, lacrosse, landhockey och fotboll.
NKE Prisdiagram
För hela räkenskapsåret 2023 rapporterade Nike en omsättning på 51,2 miljarder US‑dollar, upp 10 % jämfört med föregående år och upp 16 % på valutaneutral basis.
#2. Airbus
Airbus Defence and Space fick ett patent på en deformerbar auxetisk struktur och tillverkningsprocess. Uppfinningen syftar till att erbjuda lättviktigt skydd mot högenergiimpakter i flygplansstrukturer och system genom en enda integrerad sandwichpanel som utnyttjar den tvådimensionella auxetiska beteendet i de två riktningarna som bildar panelens yta.
Airbus föreslår att ett sådant skydd skulle vara mycket fördelaktigt i starkt integrerade bakre motorstyrda flygplanskonfigurationer, inklusive Open‑Rotor eller Boundary‑Layer Ingestion‑arkitekturer. I dessa konfigurationer krävs skyddsåtgärder (skydd) på grund av säkerhetsrisker mot högenergiimpakter på flygkroppen från propellerbladsläpp (PBR) och motorrester (okontrollerad motorrotationsfel med små fragment och tredje skiva).
Strukturen har en auxetisk uppsättning bestående av ett flertal sammankopplade tredimensionella auxetiska celler. Denna design säkerställer att oavsett om ytelementet har en plan yta, en krökt yta eller en sammansättning av olika plana ytor, kommer den resulterande strukturen att uppnå auxetiskt beteende på var och en av dessa plan. Dessutom kommer den att uppvisa auxetiskt beteende i mer än en dimension vinkelrätt mot huvudriktningen för påverkan.
År 2023 registrerade Airbus en omsättning på mer än 65 miljarder euro, en betydande ökning jämfört med 58,8 miljarder euro som tjänades in 2022.
Skapa auxetiska material: Hur framtiden ser ut
Forskningen som inledde vår diskussion kunde uppnå många genombrott. Den kan erbjuda en enkel modell för att skapa, designa och karakterisera roterande enhets‑auxetiker. Modeller som validerade teorin var kraftfulla för enkel simulering av materialegenskaper utan att beakta böjningskrafter. Modellerna kunde dock anpassas för att inkludera böjning vid behov. Arbetet ledde till att fastställa grundreglerna för att skapa tidigare osedda isotropa perfekta auxetiker. Det enda som krävdes var mer forskning om dynamisk och vibrationsanalys.
Även om forskning och utforskning är en oändlig process inom vetenskap och teknik, måste det göras mer undersökning av auxetiska material som förstärkning, särskilt för bärande tillämpningar. Överdrivna deformationer krävs för att initiera fördelarna med auxetisk egenskap. Dessa deformationer kan överskrida de användbarhetsgränser som specificeras för strukturella element vid statisk belastning. I detta avseende har forskare pekat på behovet av skräddarsydda designer som uppfyller både styrke- och styvhetskrav.
Inom biomedicinska tillämpningar uppstår behovet av 3D‑auxetiker, vilket endast kan uppnås genom additiva tillverkningsprocesser. Dessa processer bör förbättras för att säkerställa långsiktig prestanda för medicintekniska produkter. Den avancerade algoritmbaserade processen för att skapa auxetiker kan vara användbar i dessa fall, eftersom de flesta additiva tekniker ger intrinsiskt anisotropa resultat på grund av lager‑för‑lager‑processen, vilket kan påverka de mekaniska egenskaperna hos lösningarna.
Trots att dessa utmaningar kvarstår är forskarna hoppfulla att vissa framtida trender, om de skalas upp framgångsrikt, kan leda till ett mer entusiastiskt antagande av auxetiker. Sådana trender inkluderar att skapa synergier mellan 4D‑utskrift och auxetiska geometrier, tillverkning av formminnesmaterial och -mekanismer, med mera.
Auxetiker kan också få ökad användning i biohybrida material, där en auxetisk scaffold koloniserad av celler kan leda till mer autonoma aktuatorer. Enligt forskarna är dessa material kapabla att överträffa nuvarande tillgängliga “smarta”, aktiva eller multifunktionella material och strukturer.
Ett av de främsta exemplen på användning av biohybrider är i form av mikrobotar med auxetisk chassi och mekanismer som drivs av levande celler. Dessa lösningar, särskilt de elektriskt stimuli‑aktiverade kardiomyocyterna eller muskel‑ och skelettcellerna, kan i framtiden användas som kirurgiska aktuatorer.
Sammanlagt ger auxetiker oss ett fält av möjligheter. Allt som behövs är mer forskning och resurser för att skala upp och erbjuda genomförbara lösningar som varar mycket länge.
