lepestriny (lepestriny) wrote,
lepestriny
lepestriny

Пластинчатое прочнее однородного, принцип булата изобрели моллюски?

Оболочки разных морских организмов принимают удары от воздействий шторма и приливов, встречаются и с острыми зубами хищников. Но недавние исследования показали, что один тип оболочки выделяется из всех остальных по прочности: раковина.
Теперь исследователи из Массачусетского технологического института изучили секреты экстраординарной ударной устойчивости этих оболочек. И они показали, что превосходящая прочность может быть воспроизведена в сконструированных материалах, потенциально обеспечить лучший, чем когда-либо, защитный шлем и бронежилет.

Secrets of the conch shell and its toughness
Трехъярусная структура этих ударопрочных оболочек может помочь производить лучшие шлемы, бронежилеты.


Раковина «имеет действительно уникальную архитектуру,» объясняет Гу. Структура делает материал в 10 раз жестче, чем сам материал перламутр. Эта ударная вязкость, или сопротивление к переломам, происходит от уникальной конфигурации, основанной на трех различных уровнях иерархии во внутренней структуре материала.
Трехуровневая структура мешает любым крошечным трещинам распространяться и расширяться, говорит Гу. Материал имеет «зигзаг матрицу, так что трещина должна пройти через своего рода лабиринт» с целью распространения, говорит она.

До недавнего времени, даже после того, как структура раковины была осознана, «мы не могли повторить структуру так же хорошо. Но теперь, наша лаборатория разработала технологию печати 3-D, что позволяет нам дублировать эту структуру и быть в состоянии проверить это» - говорит Бюлер, который является руководителем Департамента гражданской и экологической инженерии.

Частью инноваций, использованных в этом проекте, была способность команды моделировать поведение материала и анализа его фактической производительности в реальных условиях. «В прошлом, основным из испытаний [защитных материалов] было статическое испытание», объясняет Гу. «Но многие приложения для использования в военных целях или в спорте связаны с высокой динамической нагрузкой», которая требует детального рассмотрения того, как эффекты влияния распространились в течение долгого времени.
Для этой работы, исследователи проделали испытания в башне падения, что позволило им наблюдать, как именно появились и распространялись трещины - или не распространялись - в первые мгновения после удара. «Было удивительно наблюдать соответствие между моделью и экспериментами», говорит Бюлер.

Это стало возможным отчасти потому, что команда использовала технологии 3-D печати композитных материалов с точно контролируемыми структурами, а не с использованием образцов реальных оболочек, которые могут иметь непредсказуемые изменения, которые осложняют анализ. Печатая образцы, «мы можем использовать точно такую ​​же геометрию», используемые в компьютерной симуляции «и мы получаем очень хорошее совпадение». Теперь, продолжая работу, они могут сосредоточиться на небольших изменениях «в качестве основы для будущей оптимизации» - говорит Бюлер.
Чтобы проверить относительную важность трех уровней структуры, команда пыталась проверять изменения материала с различными уровнями иерархии. Более высокие уровни иерархии введены путем включения меньших фракций в композит, как и в реальной раковине. Конечно, структуры более низкого уровня оказались значительно слабее, чем прочность на более высоких уровнях, достигнутых в данном исследовании, которое состояло из рассмотрения кросс-пластинчатых особенностей, присущих естественным раковинам.

Испытания показали, что геометрия типичная для раковин, на 85 процентов лучше предотвращает распространения трещин, чем сам сильный основной материал, и на 70 процентов лучше, чем традиционные расположения волокнистого композита, говорит Гу.
Защитные шлемы и другие ударопрочные изделия требуют оптимальной ключевой комбинации прочности и вязкости, пояснил Бюлер. Крепкость, твердость относится к способности материала противостоять повреждению, что делает сталь, например. Вязкость, упругость, с другой стороны, относится к способности материала рассеивать энергию, как делает резина, например. Традиционные шлемы используют металлическую оболочку для прочности и гибкого вкладыша для комфорта и диссипации энергии. Но в новом композитном материале, это сочетание качеств распространяются через весь материал.
«Это имеет жесткость, как стекло или керамика,» - говорит Бюлер, но он лишен хрупкости этих материалов, благодаря интеграции материалов с различной степенью прочности и гибкости в рамках композиционной структуры. Как фанера, композит состоит из слоев, «зерна» и внутреннего распределенич его материалов, ориентированных по-разному от одного слоя к другому.
С помощью 3-D технологии печати, эта система позволит производить индивидуализированные шлемы, защитные элементы и бронежилеты. Каждый шлем, например, может быть «адаптирован и индивидуально адаптирован; компьютер будет оптимизировать его для вас, на основании сканирования вашего черепа, и шлем будет напечатан только для вас» - говорит Гу.
Эти исследователи «гениально использовали 3-D печати и экспериментирование с целью выяснения влияния материальной иерархии на свойства биоинспирированных композитов,» говорит Орасио Эспиноса, профессор машиностроения и директор теоретической и прикладной программы механики Северо-Западного университета. «Интересен остающийся вопрос» - говорит он, - «это применимость конструкции Раковины к криволинейным поверхностям, как те, которые встречаются в производстве шлемов».

http://news.mit.edu/2017/conch-shells-better-helmets-body-armor-0526
Tags: полезные ссылки
Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 0 comments