Från rymdindustrin till hemmet: Avancerade auxetiska mätare redo för bred användning

Auxetiska material skiljer sig från klassiska material genom att de uppvisar negativa Poissons tal. Med andra ord, under den dragkraft som appliceras i den longitudinala riktningen, expanderar auxetiska material i den vinkelräta tvärriktningen. 

Forskare fortsätter att söka efter auxetiska egenskaper i material. Nyligen har Noah Stocek, en doktorand som samarbetar med Western-fysikern Giovanni Fanchini, har utvecklat ett sådant nanomaterial. 

Tvådimensionella auxetiska nanoskivor

Båda forskarna arbetade vid Interface Science Western för att utveckla 2‑D nanoskivor av volframsemi‑karbid, även känt som W2C. Detta är kemiska föreningar som innehåller lika delar volfram‑ och kolatomer. I enlighet med egenskaperna hos auxetiska material expanderar dessa nanomaterial vinkelrätt mot den applicerade kraften när de sträcks i en riktning. 

Utvecklingen är betydelsefull eftersom det bara är det andra materialet som kan expandera avsevärt på ett sätt som är motsatt klassiska material. Före detta fanns bara ett rapporterat material som kunde expandera med 10 procent per enhetslängd på ett kontraintuitivt sätt. Det nuvarande nanomaterialet, volframsemi‑karbid‑nanoskivan, kan expandera med 40 procent. Det är ett nytt världsrekord. När Stoeck förklarade detta genombrott sade han: 

“År 2018 förutsade teoretiker att det kunde uppvisa detta beteende på en utmärkt nivå, men ingen hade lyckats utveckla det, trots omfattande försök av forskargrupper över hela världen.”

För att förklara mer i detalj vad Stoeck och Fanchini utvecklade, rapporterade de vetenskapligt och experimentellt om ett skräddarsytt dubbelt‑zons fjärrplasmadepositionssystem som kunde växa volframkarbider ur termodynamisk obalans med välavvägda förhållanden av W‑ och C‑föregångare. Forskningen belyste de specifika förhållandena under vilka detta system möjliggjorde syntes av flisor av få‑lagers volframsemi‑karbid (FL‑W2C). Dessa flisor var tvådimensionella till sin natur, eftersom de kunde behålla sin periodicitet på mesoskoptisk nivå i en Stranski–Krastanov‑tillväxtprocess.

Ett nytt skifte från kemiska metoder till plasmateknik

Utvecklar‑duon identifierade tidigt i sin process att det var omöjligt att konstruera ett nytt volframsemi‑karbid‑nanomaterial med kemiska metoder. Som ett resultat övergick de till plasmateknik, med målet att bilda lager av enskilda atomer. 

För att genomföra utvecklingen av nanomaterialet genom att utnyttja plasmametoder, avvek utvecklar‑duon från den konventionella vägen med speciella ugnar där gaser kunde värmas till hög temperatur för att kemiskt reagera och bilda ämnet. De designade ett nytt anpassat instrument‑system för att producera plasma, som innehåller elektriskt laddade partiklar. 

Tillämpningar av det nyutvecklade nanomaterialet

En av de mest användbara potentiella tillämpningarna av dessa nanoskivor kan vara en radikalt ny typ av töjningsmätare. Dessa mätare kan mäta expansion på ett mycket effektivt sätt och sträcka sig i allt från flygplansvingar till hushållsplåtar.

Eftersom dessa material är mer elektriskt ledande, kan de användas i sensorer eller enheter för att upptäcka förändringar och skift i miljön. De kan inte bara upptäcka dessa förändringar, utan på grund av deras ‘sensor’-kapacitet, kan de också skicka information till annan elektronik. 

När Stoeck förklarade en av de möjliga tillämpningarna sade han:

“Föreställ dig att du vill veta om ett rör i ditt hus deformeras och riskerar att sprängas vid någon tidpunkt. Du kan fästa en sensor på röret tillverkat av detta tvådimensionella nanomaterial och sedan använda en dator för att övervaka strömmen som passerar genom det. Om strömmen ökar betyder det att röret expanderar och riskerar att sprängas.”

I framtiden kommer mer utveckling av auxetiska egenskaper hos ett material definitivt leda till nya lösningar. För närvarande är företag som Michigan Scientific Corporation och Omega djupt involverade i tillverkning och utveckling av töjningsmätare. Dessa företag kan börja utnyttja denna utveckling och det producerade nanomaterialet som ett resultat för att förbättra sin produkt‑/lösningsportfölj. 

#1. Omega

Omega, ett DwyerOmega‑varumärke, kan utnyttja nanomaterialet för att ytterligare förstärka sin robusta och mångsidiga produktlinje av töjningsmätare. Dess membranmätare kan mäta töjning och spänning i en rad tillämpningar, inklusive tryck, kraft, förskjutning och töjning i metaller, plaster och kompositer. Den dubbla parallella töjningsmätarlinjen hjälper till att på ett tillförlitligt sätt mäta böjspänning i olika tillämpningar. 

Omega har också torsions‑ och skjuvtöjningsmätare, linjära töjningsmätare, t‑rosett‑töjningsmätare och rosett‑töjningsmätare. Med snäva toleranser för enklare justering erbjuder Omegas mätare pålitlig prestanda och långsiktig stabilitet. Dess Full Bridge‑ och Half Bridge‑töjningsmätare visar utmärkt linearitet över kompatibilitet med ett brett temperaturintervall. 

Dess T‑Rosett‑töjningsmätare kan mäta effekterna av temperatur, belastning och vibration på komponenter. De är särskilt användbara för att mäta biaxiala spänningar med kända huvudriktningar.

Företaget är perfekt positionerat för att antingen utveckla en ny produktlinje baserad på auxetiska mätare eller expandera sin befintliga produktlinje med auxetiska egenskaper. 

DwyerOmega uppstod som varumärke efter Dwyer Instruments, Inc. avtog att förvärva OMEGA Engineering, Inc. från Spectris plc (LSE:SXS) för cirka 530 miljoner USD den 19 april 2022. Dwyer betalade 525 miljoner USD till ett värde av cirka 20,4 × Omega’s justerade EBITDA för 2021. För räkenskapsåret 2021 genererade Omega en omsättning på £129 miljoner (≈ 168 miljoner USD) och justerad EBITDA på £19,7 miljoner (≈ 25,7 miljoner USD).

#2. Michigan Scientific Corporation

Michigan Scientific Corporation, ett privatägt företag baserat i Charlevoix, Michigan, USA, är känt för att erbjuda ett brett utbud av ingenjörstjänster, produkter och lösningar. Ett område där detta företag skulle kunna utnyttja utvecklingen på ett briljant sätt är dess töjningsmätartjänster. 

Företaget är specialist på att designa och skapa skräddarsydda töjningsmätar‑transduktorer, vilka kan användas i en rad fall, inklusive mätning av fordonssuspensionskrafter, drivlinjetorquer, styrkomponentkrafter, motor‑ och motorbelastningar samt bromstorkar på fordon i fält.

Michigan’s lösningar inkluderar axel‑torquetransduktorer, vevaxel‑transduktorer, skjuvpin‑transduktorer och produkter för halaxel‑töjning, drivaxel‑töjning, axiell kraft‑töjning och mer. 

Dessa lösningars instrumenteringsapplikationer inkluderar kretskortinstrumentering för övervakning av spänning, termokammardörrpaneler som övervakas för deformation under tillverkning, och fullt instrumenterade industriella drivaxlar. Dessa lösningar samlar också in och analyserar data som erhållits från de projekt där de används. 

Vi har redan sett att ‘sensor’-kapaciteten hos nyutvecklade töjningsmätare ökar deras värde. Detta skulle också vara ett värdeökande för Morgan Scientific Corporation, som är verksam med att installera töjningsmätare på plats hos kundens anläggningar för att instrumentera kundens komponenter och registrera data för att stödja en rad test‑ och utvecklingsaktiviteter. 

Andra betydande senaste framsteg inom auxetiska material

Auxetiska material i byggnadskonstruktion

Enligt rapporter publicerade i International Journal of Protective Structures, finner auxetiska material allt större användning inom områden relaterade till civil ingenjörskonst. De kan kombineras med cementbaserade material i olika former, inklusive skum‑mörtel‑kompositer, tyg‑mörtel‑kompositer och fiber‑förstärkt cementkomposit. 

Auxetiska skumlager, till exempel, visar sig vara användbara vid eftermontering av spröda murverk under kompression. De ökar avsevärt efteravkastnings‑härdningseffekten i cementkompositen.

Auxetiska tyger erbjuder högre skjuvstyvhet och anmärkningsvärd brottseghet. Som ett resultat är dessa kompositer användbara för att övervinna de utmaningar som den låga tryckhållfastheten hos Auxetisk Skummörtel (AFM) med en porös struktur och låg densitet medför.

Den auxetiska fiber‑förstärkta cementkompositen löser många av de konventionella cementmaterialens nackdelar, inklusive dålig duktilitet, otillräcklig draghållfasthet, och låg brottseghet.

Auxetiska material i fiber

Auxetiska fibrer kan användas i en rad områden, inklusive kompositematerial, personlig skyddsutrustning, stoppning, rep, snören, fisknät och mycket mer. De egenskaper som auxetiska fibrer ger dessa tillämpningsområden inkluderar motstånd mot fiberutdragning, brottseghet, energibindning, densifiering och intryckningsmotstånd, stötdämpning och mer.

Auxetiska material i biomedicin 

Auxetiska material kan bidra avsevärt till de biomedicinska delsegmenten av proteser, kirurgiska implantat, sutur‑/muskel‑/ligamentankare och till och med dilatatorer som hjälper till att öppna blodkärl under hjärtoperationer. 

Auxetiska material för förbättring av piezoelektrikers kvalitet

Elektroder kan byggas av auxetiska metaller. Dessa elektroder kan fungera genom att sandwicha en piezoelektrisk polymer eller inbädda piezoelektriska keramiska stavar i en auxetisk polymermatris. De har betydande förbättringskapacitet för piezoelektrisk prestanda och kan öka enhetens känslighet med minst en faktor två och upp till så mycket som hundra.

Användning av auxetiska material i filter

Rengöring av igensatta filter är möjlig med auxetiska skum‑ och bikakelfilter. Specifikt hjälper de auxetiska inklusionerna att justera filterporerna till en effektiv storlek och form. De kompenserar också för effekterna av tryckuppbyggnad i ett igensatt filter. Ett auxetiskt filter kan öppna porerna i båda riktningarna—längs och tvärs mot den dragbelastning som appliceras.

Design av auxetiska material på begäran

Som de ovanstående segmenten visar, expanderar användningen av avancerade auxetiska material snabbt och sprider sig dagligen till nya tillämpningsområden. För att möta denna efterfrågan har forskare redan genomfört värdefulla studier om design av auxetiska material på begäran.

År 2022, en studie med titeln ‘En tremstegs recept för att designa auxetiska material på begäran‘ publicerades där forskarna etablerade ett enhetligt ramverk för att beskriva tvådimensionella perfekta auxetiker med potentiell användning i designen av nya material. 

Forskningen byggde starkt på den naturliga kopplingen mellan roterande styva enheter och antiferromagnetiska spinnsystem. Forskarna förklarade också de förhållanden som underlättar framkomsten av ett icke‑trivialt floppy‑läge som orsakar auxetiskt beteende. 

Forskningen pekade på tre designer för nya auxetiker: en exotisk kristall, en Penrose‑quasicrystal och en länge önskad isotrop auxetisk. Forskarna hävdade att auxetiskheten hos dessa designer kunde förbli robust under små strukturella störningar, validerade genom experiment och numeriska simuleringar. 

Forsknings‑teorin representerade varje design med en minimal modell. Dessa modeller baserades på polygoner och fjädrar som kunde fånga dessa modellers väsentliga kollektiva respons på externa belastningar.

Forskarna hoppade hoppet att dessa modeller kunde simuleras direkt för att testa materialens egenskaper utan att beakta böjningskrafter. En annan betydande uppgift av forskningsresultaten var dess förmåga att generalisera beteendet hos auxetiska domänväggar och naturliga texturer som dessa system har på grund av deras analogi med magnetiska system.

Slutligen påstod de inblandade i forskningen att den var banbrytande i att den kunde etablera grundreglerna för att skapa aldrig‑sedda isotropa perfekta auxetiker. De var också hoppfulla att forskningen kunde hitta tillämpning i produktion av 3D‑polyeder‑material.

Klicka här för att lära dig mer om potentialen för nanoskalig 3D‑utskrift.

Framtiden för avancerade auxetiska material

Det är nu bevisat utan tvivel att auxetiska strukturer har gått bortom fasen av en enda design till skräddarsydda lösningar som kan tjäna en rad funktioner. Dess utveckling har sett varierande elementära 2D‑mönster, hybridstrukturer och innovativa prestanda‑orienterade dimensionella uppgraderingar. Utvecklingen har också bevittnat en expansion i listan över material som kan ha auxetiska egenskaper inbäddade i sig. Listan över kompatibla material inkluderar nu polymerer, keramer, metaller, biomaterial, cement, textilier och cementbaserade föreningar.

Diversifierade strukturella modeller och generaliserade tillverkningsmodeller – båda har sett förbättringar, vilket resulterar i auxetiskt beteende hos material med hög styvhet. Forskare och teknologer undersöker också de stress‑omfördelande egenskaperna hos auxetiska material. 

Dock, för att auxetiska material ska bli mer avancerade, måste vissa utmaningar övervinnas. Till exempel kräver prestanda under hög‑hastighets‑impact och mekanismerna för deformation och fel mer granskning. Mer arbete krävs för implementering av slagmotstånd. Tillräcklig uppmärksamhet på dessa aspekter kan göra auxetiska material till en vetenskaplig och teknologisk funktion med enormt värde i vardagslivet.

Klicka här för listan över fem företag som leder utvecklingen av nanoteknik.