3Dプリンティングにより、結晶微細構造を模倣した、損傷に強い格子構造材料の製造が可能になる。

3Dプリンティングにより、結晶微細構造を模倣した、損傷に強い格子構造材料の製造が可能になる。
寄稿者: 黄盛、李迪塵

インペリアル・カレッジ・ロンドンのミン・ソン・ファム教授のチームは、結晶冶金の強化メカニズムに基づいて、結晶材料のミクロスケールの構造(粒界、析出、相)を模倣し、3Dプリント技術を使用して、ノードとピラーで構成されたメソスケールのメッシュ材料を製造しました。多数の実験の後、結晶のような構造を持つこのメッシュ材料は、優れた性能を持ち、強度と損傷耐性の両方を備えていることがわかりました。この研究結果は最近、ネイチャー誌に掲載された。研究結果によると、結晶冶金の強化メカニズムを構造材料に適用することで、性能要件を満たすメッシュ材料を設計でき、3Dプリント技術がそのようなメッシュ構造の製造を実現するための基礎と保証となります。

ノードと支柱で構成される格子構造材料は、質量が極めて小さく、比強度が高く、固体材料にはない​​特殊な特性(負のポアソン比など)を持つことから、大きな注目を集めています。しかし、これまでこのような構造材料の研究は、単一配向の格子構造材料にのみ焦点を当ててきました(図 1a および d)。荷重が降伏点を超えると、局所的に高応力帯が現れ、材料の機械的強度が壊滅的に低下します(図 1e および f)。この「降伏後の崩壊」は、金属単結晶における転位滑りに伴う応力の急激な低下に似ています(図 1b)。

まず、研究チームは粒界強化理論に基づき、隣接する2つのマクロ格子ドメイン間の配向(配列方向)を調整し、格子ドメイン間に粒界に類似した境界(双晶境界)を生成させることで、粒界類似の格子構造材料を設計しました(図2)。次に、研究チームは析出強化理論に基づいて、異なる格子定数を持つ埋め込み格子ドメイン(メタ析出物と呼ばれる)を導入することで、析出強化を模倣した格子構造材料を設計しました(図3)。研究チームは、再び多相強化理論に基づいて、上層と下層が面立方、中間層が体心立方である格子材料を設計しました。設計された格子構造材料は3Dプリントを使用して製造され、格子構造材料におけるさまざまな強化メカニズム(粒界、析出、多相強化)の適応性を確認するための一連の実験が実施されました。最終的に、上記の強化メカニズムを総合的に考慮することで、スケールを超えて損傷に強い軽量部品を開発しました(図4)。

結晶冶金、格子構造材料、3D 印刷技術を組み合わせることで、強度が高く損傷に強い格子構造材料を開発するための新しいアプローチが実現します。


図 1 格子構造と変形挙動図 2 格子配向が結晶および格子構造材料の変形挙動に与える影響図 3 格子構造材料における析出強化と多相強化図 4 結晶微細構造をシミュレートした軽量で損傷に強い格子構造材料参考文献:
Pham MS、Liu C、Todd I、et al. 結晶微細構造にヒントを得た損傷耐性のある設計材料 [J]。Nature、2019、565 (7739): 305。

寄稿者: Huang Sheng、Li Dichen 寄稿部署: 機械製造システム工学国家重点研究室

3D プリント、印刷、実現、結晶、顕微鏡

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