3Dプリント技術、新しい材料構造、新しい高性能材料

ウィスコンシン大学マディソン校の工学物理学教授が、建物、飛行機、橋、電子機器などの設計にエンジニアが使用する標準理論とは異なる挙動を示す新しいタイプの材料を開発した。

画像提供: ロデリック・レイクス、ウィスコンシン大学マディソン校
写真の通り、十字構造を繰り返す格子模様のデザインです。ウィスコンシン大学マディソン校の工学研究者によると、ここに示されているこの材料のポリマーストリップは、強度と耐久性を高めるように配置されている。これは、高い靭性が求められる用途向けの新しい材料の設計への扉を開く技術的進歩です。例えば、この技術は破損に強い航空機の翼を作るのに使用できるかもしれない。

古典的な弾性理論は、鋼鉄、アルミニウム、コンクリートなどの最も一般的な材料の挙動を予測するのに適しており、それらの構造が過度に変形したり、過度の損傷を受けることなく機械的力に耐えられることを保証します。しかし、他の種類の材料の場合、この古典的な弾性理論による説明には限界があります。ロデリック・レイクス氏と大学院生のザカリア・ルーガー氏は、3D プリント技術を使用して新しいポリマー格子材料を作成しました。デザインは、繰り返しの十字形パターンで配置されたポリマーストリップで作られた素材です。ポリマー格子ストリップは、ねじれたり曲がったりすると、古典的な弾性理論から予想されるよりも 30 倍硬くなります。

ウィスコンシン大学の研究者らは、この新しい格子材料に関する研究結果を2018年2月8日に「Physical Review Letters」誌に発表した。ロデリック・レイクスは、研究室で測定を行っているときに、この材料の挙動が、材料の基礎構造のサイズを考慮した、より詳細な弾性理論であるコセラ弾性理論と一致していることを確認しました。

「フォーム、格子、繊維強化材などの基礎構造を持つ材料の場合、古典的な弾性理論が扱える以上の自由度を持つことが多い」とロデリック・レイクスは言う。「したがって、私たちは標準理論から推測される挙動にのみ焦点を当てるのではなく、材料の自由な挙動を研究しています。」この自由度の向上により、研究者は応力集中の影響を受けにくい新しい材料を開発できる可能性があります。言い換えれば、飛行機の翼のひび割れ耐性の向上など、さまざまな用途に使用できる靭性が向上した材料です。

航空機の翼に亀裂が生じると、亀裂の周囲に応力が集中し、翼が極めて脆くなります。何かを壊すにはある程度の圧力が必要です。しかし、私たちが開発したこの新しい素材を使えば、ひび割れがあっても、より少ない圧力で破壊することができます。「ロデリック・レイクスは言った。

ロデリック・レイクス氏によると、コセラの弾性理論を材料設計の指針として用いることで、材料全体に応力が均等に分散された、より強力な材料を生産できるようになるという。骨や特定の種類のフォームなどの材料にも同様の効果があります。しかし、エンジニアがシートクッション用のフォームを作成するとき、フォームの基礎となる構造、つまりフォーム内に形成されセルを構成する小さな気泡をあまり制御できません。したがって、彼らの研究はコセラの弾性理論の効果を達成することはできません。

フォームとはまったく対照的に、ウィスコンシン大学マディソン校の研究者はコセラ効果を調整し、格子材料で完全に発現させることができます。「私たちは格子の微細構造を非常に細かく制御できる材料を開発しました。これにより、材料を曲げたりねじったりするときに非常に強力な効果を得ることができます」とロデリック・レイクスは言います。

出典: Materials Science Online

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