先进技术可使新型高性能材料成为可能

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林奈

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【博科园-科学科普（关注“博科园”看更多）】威斯康星大学麦迪逊分校的一位工程物理学教授创造了新材料，这种新材料的表现方式与标准理论工程师用于设计建筑物，飞机，桥梁和电子设备等设计时所采用的方式不同。

这是一项进步，可以为需要高韧性的应用设计新型材料的大门，例如抗断裂能力更强的飞机机翼。经典弹性理论适用于预测大多数普通材料（包括钢，铝和混凝土）的行为，并确保结构能承受机械力而不会破坏或变形太多。但对于一些材料，理论是有限的。Roderic Lakes和研究生Zachariah Rueger使用3D打印技术制作新的聚合物晶格材料。他们的设计材料聚合物条排列的模式，是重复的十字交叉结构。

重复十字交叉结构的格子设计。根据UW-Madison工程研究人员的说法，材料聚合物条的排列方式可以增加强度和耐久性。图片版权：RODERIC LAKES

当它扭曲或弯曲时，这种聚合物晶格的条棒比根据经典弹性理论所预期的要高30倍。威斯康辛州的研究人员在2018年2月8日的“ 物理评论快报 ”杂志中描述了他们的新晶格材料。在实验室进行测量时，Lakes确定材料的行为与Cosserat弹性一致，这是一个更具描述性的弹性理论，它考虑了材料中底层结构的大小。如果你有一种具有底层结构的材料，比如一些泡沫，格子和纤维增强材料，那么它比经典弹性理论能够处理的自由度更大，所以我们正在研究材料的自由行为，而不是标准理论所预期的方式。这种增加的自由度提供了创造对应力集中不敏感的新材料的潜在途径; 换句话说，韧性改善的材料。这种材料可用于各种应用，包括使飞机机翼更能抵抗裂纹。

如果飞机机翼出现裂缝，则应力集中在裂缝周围，使机翼更弱。你需要一定的压力来打破某些东西，但如果它有裂缝，可以用较小的压力来打破它。根据Lakes的数据，使用Cosserat 弹性理论来指导材料设计将产生更加强硬的材料，其中应力分布在整个材料中。这些相同的效果存在于骨头和某些类型的泡沫等材料中。然而例如当工程师为座垫制造泡沫时，他们对泡沫的底层结构没有太多的控制，泡沫内部形成和组成泡孔的微小气泡。因此他们的裁剪Cosserat效果的能力有限。与泡沫形成鲜明对比的是，威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员可以在其晶格材料中调整Cosserat效应并使其非常强大。对格子的精细结构进行了非常详细的控制，这使我们能够在弯曲和扭转材料时获得非常强大的效果。