輕若鴻毛？探索微晶格阻尼材料背后的3D打印與材料科學

  關于微晶格阻尼材料和可重復吸收能量的方法，據(jù)市場研究，當前波音公司與HRL實驗室有著頗為深入的研究。

  波音公司曾在2015年展示了他們獨特的3D打印微點陣結構材料的巨大潛力，并且波音相信這是世界上最輕的金屬。該材料的研發(fā)背景是2011年由波音子公司HRL實驗室為國防高級研究計劃局（DARPA）開始研發(fā)的。重量比塑料更輕，壁結構比人的頭發(fā)絲還細一千倍，密度僅為0.9毫克/ CC，該結構是一種由相互連接的空心管金屬晶陣，這使得它具有非常強的抗壓縮能力和高水平的吸收力。

  那么此類微晶格結構的制造思路和商業(yè)用途具體是怎樣的呢？本期，我們將逐一揭示其背后的理念與技術：3D打印與材料學，結構力學的結合。

  不再依賴于溫度

  通過3D打印技術創(chuàng)造的這一突破性的金屬結構，其基本的架構是通過UV光固化聚合物形成的模板。然后使用化學電鍍的方法為模板鍍上一層超薄的鎳，再除掉熱聚合物模板材料，只留下空心的金屬結構。該金屬結構的99.99%都是空氣，納米固體結構只占0.01%，空心管壁厚度僅100納米，比頭發(fā)細1000倍。

  在此之前，市場上通常使用的是粘彈性阻尼材料，這些材料通過在應力下滑動的聚合物鏈吸收能量，不過，粘彈性聚合物的功效強烈依賴于溫度，因此，粘彈性聚合物僅在較小的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出高阻尼系數(shù)，而在極端溫度下則性能較差。

  通過利用中空管彎曲的能量吸收機構（如微晶格所提供的），HRL實驗室的研究結果可以提供高阻尼的性能，特別是適用于聲學，振動或沖擊領域的阻尼用途。

  據(jù)市場研究，HRL實驗室實現(xiàn)的中空管壁厚與直徑之比小于3.ε，中空管直徑在10微米到10厘米之間。材料方面，中空管由金屬、陶瓷和塑料材料形成。微晶格適于在大于300攝氏度的溫度，低于負100攝氏度的溫度或在超過200攝氏度的溫度范圍內(nèi)提供阻尼用途。

  阻尼的物理意義是力的衰減,或物體在運動中的能量耗散。通俗地講，就是阻止物體繼續(xù)運動。一般來說，材料的阻尼系數(shù)越大意味著其減震效果或阻尼效果越好。但是并不是阻尼越大越好，阻尼大到一定程度時兩個物體之間變成了剛性連接。

  當然，微晶格需要閾值應力以觸發(fā)屈曲和伴隨的能量吸收等特性是可以設計的。

  通過制造這種具有類似于粘彈性阻尼材料的金屬或陶瓷微晶格材料，同時保留金屬或陶瓷的優(yōu)點，例如溫度不敏感（與粘彈性僅20-30攝氏度范圍相比）。

  可期待的商業(yè)化前景

  關于微點陣結構的商業(yè)化應用，我們曾介紹過Incase利用Carbon的20臺3D打印平臺來設計和生產(chǎn)更先進的移動設備保護設備，這是業(yè)內(nèi)首個3D打印的新型彈性體復雜結構設計的移動設備防護解決方案。

  這樣的微晶格材料還可用作吸聲器，其比傳統(tǒng)的吸聲器更薄更輕。另外，它可以用在汽車中作為減振器來減弱聲音并提供沖擊保護。可擴展的商業(yè)化前景包括可以用作約束層阻尼器，以抑制平面或旋翼機機身中板的振動。

  這是一種具有較低的重量，較低的溫度依賴性和多功能特性的材料，而3D打印讓這種新型的材料成為現(xiàn)實。

  轉載自3D虎，版權歸原作者所有