Новый сверхлегкий амортизирующий материал, прочный как металл
Исследовательская группа из Университета Джона Хопкинса разработала новый амортизирующий материал, который имеет очень малый вес, не уступая при этом в прочности. Пеноподобный материал, изготовленный из жидкокристаллических эластомеров, идеально подходит для портативных средств защиты, таких как прочные, но легкие компоненты транспортных средств, например, в спортивной и оборонной технике.
Энергопоглощающие материалы используются во многих ситуациях, как для виброизоляции (например, спортивное оборудование и опоры двигателя), так и для защиты от ударов (например, шлемы и бронежилеты). Большинство существующих материалов рассеивают энергию удара с помощью неудачного механизма, называемого So (пластическая деформация, разрушение или фрагментация). В этом случае кинетическая энергия не сохраняется, а преобразуется во внутреннюю энергию. Поэтому после удара материал повреждается и не может быть использован снова (или используется всего несколько раз).
Однако существуют инженерные материалы (или метаматериалы), которые могут сохранять энергию за счет распада. Это означает, что материал может выдерживать большие нагрузки, используя деформацию без напряжения. Эта деформация обратима, и такие метаматериалы могут быть использованы снова. Однако из-за ограниченной способности поглощать энергию они менее эффективны при высоких скоростях деформации. Столкнувшись с этим наблюдением, исследователи решили увеличить эту способность поглощения и включить механизм диссипации материала в ответ на скорость. Для этого они обратились к жидкокристаллическим эластомерам (ЖКС).
Чрезвычайная высокая способность поглощения энергии
ЖКС — это слабо жидкокристаллические полимерные сети, которые сочетают в себе эластичность эластомера и способность к организации жидкокристаллической фазы. Сегодня они уже используются в робототехнике для создания искусственных мышц для мягких роботов.
Исследователи создали структуру, состоящую из базовой ячейки наклонных ЖК-сегментов, симметрично расположенных между двумя жесткими горизонтальными опорами. Эти отдельные ячейки повторялись в несколько слоев. Предыдущее моделирование показало, что плотность поглощения энергии возрастала по мере увеличения количества свай из-за неравномерного разрушения слоев.
Читайте также: Корейский термоядерный реактор устанавливает новый рекорд
Ученые из Корейского научно-исследовательского института термоядерной энергии, известного как Корейский сверхпроводящий токамак (KSTAR), объявили, что им..
Разработанный материал демонстрирует экстремальное поглощение энергии. Испытания на сжатие показали, что ячейки LCE могут поглощать больше энергии, чем стандартные эластомерные структуры при скоростях деформации, превышающих 1. 5 x 1 0-3 S-1 В диапазоне эффективных скоростей деформации от 6 x 1 0-4 s-1 до 6 x 10 2 s-1 с ячейкой плотность поглощения энергии увеличивается более чем на два порядка. Исследователи журнала Advanced Materials сообщают, что при скорости деформации 600 S-1 плотность поглощения достигла 5 МДж/М 3.
Таким образом, этот инновационный материал особенно подходит для производства защитных шлемов, пуленепробиваемых жилетов, бамперов и других автомобильных или авиационных компонентов. По словам Сунг Хонг Канга, доцента кафедры машиностроения, легкий материал не только обеспечивает защиту от широкого спектра ударов, но и снижает расход топлива автомобиля и воздействие на окружающую среду, делая более удобным и защитным снаряжение пользователя. Доктор технических наук Университета Джона Хопкинса и соавтор исследования.
В серии экспериментов, проверяющих способность нового материала выдерживать удары, он выдержал объекты весом от 1,8 до 6,8 кг, которые двигались со скоростью около 35 км/ч! Хотя высокие скорости не могли быть испытаны из-за ограничений испытательной машины, команда уверена, что материал может безопасно поглощать более сильные удары.
Исследователи заметили, что характеристики материала увеличиваются с ростом количества слоев. «Неравномерное измельчение различных слоев приводит к дополнительным вязким буграм диссипации. Это синергетическое взаимодействие между вязкой диссипацией и неравномерным измельчением приводит к тому, что с увеличением плотности поглощения энергии, она увеличивается с увеличением количества слоев. » — объясняет исследователь. Например, плотность поглощения энергии четырехслойной структуры была почти в два раза выше, чем у однослойной.
Однако они обнаружили, что при наличии трех и более слоев деформация становится более равномерной, что приводит к насыщению плотности поглощения. Чтобы преодолеть эту проблему, они ввели пространственное нормирование толщины сегментов ЖК-дисплея. Это обеспечило последовательное закрепление различных слоев и, таким образом, улучшило плотность поглощения энергии.
Команда надеется, что полученные результаты будут способствовать фундаментальному пониманию механизмов нелинейного поглощения энергии с помощью ЖК-структур, которые используются в случае мягкого поглощения энергии. Уже запланировано сотрудничество с компанией по производству шлемов для спортсменов и армии.
