輕若鴻毛？探索微晶格阻尼材料背后的3D打印與材料科學(xué)

  關(guān)于微晶格阻尼材料和可重復(fù)吸收能量的方法，據(jù)市場(chǎng)研究，當(dāng)前波音公司與HRL實(shí)驗(yàn)室有著頗為深入的研究。

  波音公司曾在2015年展示了他們獨(dú)特的3D打印微點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)室為國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）開始研發(fā)的。重量比塑料更輕，壁結(jié)構(gòu)比人的頭發(fā)絲還細(xì)一千倍，密度僅為0.9毫克/ CC，該結(jié)構(gòu)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(qiáng)的抗壓縮能力和高水平的吸收力。

  那么此類微晶格結(jié)構(gòu)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(shù)：3D打印與材料學(xué)，結(jié)構(gòu)力學(xué)的結(jié)合。

  不再依賴于溫度

  通過3D打印技術(shù)創(chuàng)造的這一突破性的金屬結(jié)構(gòu)，其基本的架構(gòu)是通過UV光固化聚合物形成的模板。然后使用化學(xué)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(jié)構(gòu)。該金屬結(jié)構(gòu)的99.99%都是空氣，納米固體結(jié)構(gòu)只占0.01%，空心管壁厚度僅100納米，比頭發(fā)細(xì)1000倍。

  在此之前，市場(chǎng)上通常使用的是粘彈性阻尼材料，這些材料通過在應(yīng)力下滑動(dòng)的聚合物鏈吸收能量，不過，粘彈性聚合物的功效強(qiáng)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(jī)構(gòu)（如微晶格所提供的），HRL實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果可以提供高阻尼的性能，特別是適用于聲學(xué)，振動(dòng)或沖擊領(lǐng)域的阻尼用途。

  據(jù)市場(chǎng)研究，HRL實(shí)驗(yàn)室實(shí)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(fù)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(yùn)動(dòng)中的能量耗散。通俗地講，就是阻止物體繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。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(shí)兩個(gè)物體之間變成了剛性連接。

  當(dāng)然，微晶格需要閾值應(yīng)力以觸發(fā)屈曲和伴隨的能量吸收等特性是可以設(shè)計(jì)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(shí)保留金屬或陶瓷的優(yōu)點(diǎn)，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(guān)于微點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的商業(yè)化應(yīng)用，我們?cè)榻B過Incase利用Carbon的20臺(tái)3D打印平臺(tái)來設(shè)計(jì)和生產(chǎn)更先進(jìn)的移動(dòng)設(shè)備保護(hù)設(shè)備，這是業(yè)內(nèi)首個(gè)3D打印的新型彈性體復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的移動(dòng)設(shè)備防護(hù)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(hù)?？蓴U(kuò)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(jī)機(jī)身中板的振動(dòng)。

  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(shí)。

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