LLNL：磁性響應(yīng)超材料瞬間硬化3D打印結(jié)構(gòu)

  勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）經(jīng)常使用包括超材料在內(nèi)的3D打印材料做出令人印象深刻的工作。現(xiàn)在，該實驗室引入了一類新的超材料，當(dāng)暴露在磁場中時，它幾乎可以立即響應(yīng)和加強3D打印結(jié)構(gòu)。 LLNL稱材料為“現(xiàn)場響應(yīng)機械超材料”或FRMM。它們涉及粘性的磁響應(yīng)流體，其被注入空心支柱和3D打印格子束中。與其他4D打印材料不同，F(xiàn)RMM的整體結(jié)構(gòu)不會改變。位于梁的核心中的流體的鐵磁顆粒響應(yīng)于磁場形成鏈，使流體和晶格結(jié)構(gòu)變硬。這發(fā)生在不到一秒鐘。該研究記錄在題為“現(xiàn)場響應(yīng)機械超材料”的論文中。

  “在本文中，我們真的希望專注于具有可調(diào)屬性的超材料的新概念，即使它只是一個手工制作過程，它仍然突出了可以做的事情，這就是我認(rèn)為真正令人興奮的事情，”主要作者Julie Jackson Mancini是LLNL工程師，自2014年以來一直致力于這個項目的研究。“已經(jīng)證明，通過結(jié)構(gòu)，超材料可以創(chuàng)造有時在自然界中不存在或者可以高度設(shè)計的機械特性，但是一旦你建立起來你堅持使用這些屬性的結(jié)構(gòu)。這些超材料的下一個演變是可以調(diào)整其機械特性以響應(yīng)外部刺激的東西。那些存在，但它們通過改變形狀或顏色來響應(yīng)，而響應(yīng)所花費的時間可能是幾分鐘或幾小時。使用我們的FRMM，整體形式不會改變，響應(yīng)非常快，這使得它與其他材料區(qū)別開來。“

  研究人員將磁流變液注入基于LLNL大面積投影微光刻（LAPμSL）平臺的空心晶格結(jié)構(gòu)中，該平臺能夠使用光和光敏聚合物樹脂在寬區(qū)域內(nèi)對具有微尺度特征的物體進行3D打印。根據(jù)Mancini的說法，LAPμSL機器在新的超材料的開發(fā)中發(fā)揮了重要作用，因為復(fù)雜的管狀結(jié)構(gòu)需要用薄壁制造并且能夠保持流體包含，同時承受填充過程中產(chǎn)生的壓力和對磁場的反應(yīng)。

  通過改變所施加的磁場的強度，流體的加強以及3D打印結(jié)構(gòu)的加強是可逆的和可調(diào)的。“真正重要的是它不僅僅是一個開關(guān)響應(yīng)，通過調(diào)整所施加的磁場強度，我們可以獲得廣泛的機械性能，”曼奇尼說。 “實時遠程可調(diào)性的想法為許多應(yīng)用打開了大門。”

  這些應(yīng)用包括沖擊吸收，例如汽車座椅，其中集成了流體響應(yīng)超材料以及可以檢測碰撞的傳感器。座椅在撞擊時會變硬，可能會減少傷亡。其他應(yīng)用包括頭盔，頸部支架，光學(xué)組件外殼或軟機器人。

  為了預(yù)測晶格結(jié)構(gòu)如何響應(yīng)所施加的磁場，現(xiàn)在為國家實驗室工作的前LLNL研究員Mark Messner從單支柱測試開發(fā)了一個模型。從他開發(fā)的模型開始預(yù)測非可調(diào)靜態(tài)晶格結(jié)構(gòu)材料的機械性能，他補充說明了磁場響應(yīng)流體如何影響磁場下的單個晶格元件，并將單個支柱的模型合并到設(shè)計好的單元格里，然后，他將模型校準(zhǔn)到實驗中，Mancini在類似于格子中的支柱的流體填充管上進行實驗。研究人員使用該模型來優(yōu)化晶格的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，找到隨著磁場變化而導(dǎo)致機械性能發(fā)生較大變化的結(jié)構(gòu)。

  “我們研究了彈性剛度，但模型（或類似模型）可用于針對不同類型的目標(biāo)優(yōu)化不同的晶格結(jié)構(gòu)，”Messner說。 “可能的晶格結(jié)構(gòu)的設(shè)計空間是巨大的，因此模型和優(yōu)化過程幫助我們在打印，填充和測試實際樣品之前選擇具有有利特性的可能結(jié)構(gòu)。

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