מטא-חומר מבוסס טיטניום פותח את הנעילה של חוזק מעבר לטבע.

חומר טיטניום פורץ דרך עם חוזק ללא תחרות ורבגוניות עשויה לחולל מהפכה בייצור ותעופה במהירות גבוהה.

הונדס חומר טיטניום קל משקל בעל חוזק גבוה, שעלול להוביל למכשירים רפואיים חזקים יותר ולעיצובים חדשניים לרכב וחלליות. צוות המחקר השתמש בסגסוגת טיטניום נפוצה, ti -6 al -4 V, לבניית "המטא -חומר", מונח המשמש לתיאור חומר מלאכותי שיש לו תכונות ייחודיות שלא נצפו בטבע - אמצעי מטה " מעבר "ביוונית.

הרבה מבנים מורכבים וחזקים באופן מפתיע אכן קיימים בטבע, כמו זו של שושנת המים של ויקטוריה. יליד דרום אמריקה, העלה הצף הענק הזה חזק מספיק כדי לתמוך במבוגר בגלל מבנה הסריג הייחודי של ורידיו.

ניתן לתכנן את המבנים של חומרים מעשה ידי אדם כדי לחקות צמחים אלה וחומרים נקבוביים טבעיים אחרים כמו אלמוגים, עם סריגים שונים הנעים בין קוביות פשוטות ועד דודכדרונים מורכבים. הנקבוביות במבני סריג אלה מחוברים קשר ויוצרים ערוצים. חומרי הסריג הללו, המכונה חומרים "סלולריים", מגיעים לרוב עם סחר חוזק אם לא מתוכנן כראוי, על פי חוקרי RMIT.

ג'ורדן נורונחה, דוקטורט, דפוס תלת מימד מתכת היא מחליף משחקים, המאפשר לחוקרים לתכנן ולייצר מתכות סלולריות וחזקות מאוד, "אמר ג'ורדן נורונה, דוקטורט. מועמד שעבד על הפרויקט ב- RMIT.

בחומרים סלולריים, סריגים מחוברים בשלושה ממדים על ידי מוטות או קורות דקים ומוצקים הנקראים Struts. על ידי שימוש במותרות חלולות במקום זאת, החוקרים כיוונו ליצור חומר סלולרי בצפיפות נמוכה כמו סגסוגת מתכתי מוצקה עם צפיפות דומה לסגסוגות מגנזיום בעלות חוזק גבוה.

הדפסת החומר

צוות המחקר בראשות מא קיאן, פרופסור במרכז לייצור תוספים של RMIT, השתמש בתהליך הדפסת תלת מימד בשם "היתוך מיטת אבקת לייזר" כדי לייצר את מטמיות הטיטניום. טכניקה זו, שבונה שכבה חומר בשכבה באמצעות קרן לייזר בעלת עוצמה גבוהה, משמשת בדרך כלל להכנת חלקי ייצור מורכבים מפחות ממילימטר עד כמעט שני מטרים בגודל.

קיאן הסביר את גישתו של צוותו. "ראשית, כל המדגם המטמי -חומר של הסריג מתוכנן כמודל דיגיטלי. לאחר מכן, דגם זה פרוס דיגיטלית לשכבות דקות רבות באמצעות כלי תוכנה."

"תהליך ייצור מבוסס שכבה זה כולל התכה בלייזר של אבקות מתכת, התמצקות מהירה של המתכת הנוזלית (אבקות המתכת המומסת), ותהליכי חימום וקירור חוזרים של המתכת המוצקת", הוא הרחיב.

קיאן אומר כי התהליך כולו נמשך כיום בערך 18 שעות, אך באמצעות אופטימיזציה הוא וצוותו מתכננים לקצר את מסגרת הזמן בעתיד.

מה הופך את החומר לחזק כל כך?

תמוכות חלולות וצלחות דקות הן שתי הטופולוגיות האחראיות לכוחו הגבוה של החומר. בניגוד לרוב החומרים הסלולריים, המכילים נקודות תורפה בהן מתח מתרכז, שני הסריגים המשלימים הללו מפיצים באופן שווה לחץ תוך מתן תמיכה.

"באופן אידיאלי, יש להפיץ באופן אידיאלי את הלחץ בכל החומרים הסלולריים", הסביר קיאן. "עם זאת, עבור מרבית הטופולוגיות, מקובל שפחות ממחצית החומר נושאת בעיקר את העומס הדחיסה, ואילו נפח החומר הגדול יותר אינו חשוב מבחינה מבנית."

"העיצוב הרב-טופולוגי הזה מקדם גם את הסטייה של נתיבי סדק כדי לשפר את הקשיחות", הוסיף. "במקום שהסדקים מתרחשים ישירות דרך הסריג, המתרחשים ברוב החומרים הסלולריים, בטופולוגיית הסריג החלול-רצועה הדק שלנו, המתחים והצלחות פועלים יחד כדי להסיט את הסדקים בדרך ארוכה יותר."

סגסוגות מגנזיום משמשות כיום ביישומים מסחריים הדורשים חוזק גבוה וקל משקל. בהשוואה לסגסוגת המגנזיום החזקה ביותר יצוקה הקיימת (WE54), מדגם של חומר המטאניום עם צפיפות דומה הוא הרבה יותר חזק. סגסוגות מגנזיום אינן ניתנות להיתחם למיטת אבקת לייזר או הדפסת תלת מימד בגלל אידוי האבקה, ומעניקים לסגסוגת הטיטניום יתרון ייצור.

השלבים הבאים ויישומים פוטנציאליים

לפני שהחומר יוסגר, קיאן וצוותו רוצים תחילה להבטיח שהחומר יופיע ביעילותו המרבית.

לשם כך הם מתכננים לשפר את העיצוב הנוכחי שלהם כדי לחזק ולהאיר את מטמיות הטיטניום שלהם עוד יותר. לדוגמה, בהתבסס על הדמיות מספריות, הן יתאימו את שיעור הלוחות הדקים לתמוכות חלולות כדי לאפשר חלוקת לחץ אחידה יותר בכל המבנה.

לדברי החוקרים, אם המטא-חומר מיוצר מסגסוגת טיטניום בטמפרטורה גבוהה, ניתן להשתמש בו בטמפרטורות של עד 600 מעלות. תכונה זו, יחד עם עמידות בפני קורוזיה, הופכת את החומר המתאים לשימוש במטוסים או טילים מעופפים במהירות גבוהה, אשר חייב להיות מסוגל לעמוד בחום העז שנוצר על ידי המהירויות הגבוהות שלהם. מל"טים טיטניום המשמשים לפקח מקרוב או להילחם בשריפות בר יפיקו תועלת גם מהמשקל הקל, חוזק ועמידות החום של המטא -חומר.

מכיוון שהמטא -חומר הוא גם תואם ביולוגי, ניתן להשתמש בו גם במכשירים רפואיים כמו שתלים עצם. עם זאת, הטכנולוגיה עדיין לא זמינה באופן נרחב בשלב זה, ולכן אימוץ התעשייה עשוי לקחת זמן מה. "המגבלה החשובה ביותר שלנו היא הבלעדיות של הטכנולוגיה שלנו, ועלות הייצור יכולה להיות דאגה חשובה נוספת", הצהיר קיאן.

"תהליכי ייצור מסורתיים אינם מעשיים לייצור מטמיות מתכת מורכבות אלה, ולא לכולם יש מכונת היתוך מיטת אבקת לייזר במחסן שלהם", הוסיף. "עם זאת, ככל שהטכנולוגיה מתפתחת, היא תהפוך לנגישה יותר, מה שמאפשר לקהל גדול יותר ליישם את המטא-חומרים הרב-טופולוגיים שלנו בחוזק הגבוה ברכיביהם."