Новая форма скручивающегося метаматериала, напечатанного на 3D-принтере, способного смягчать последствия ударов, может в ближайшие годы улучшить защиту автомобилей при столкновениях . Исследователи из университетов Шотландии и Италии разрабатывают этот материал, обладающий уникальной структурой решетки, которая позволяет ему скручиваться, эффективно защищая от ударов различной силы и типа.

Разработанные этой группой «адаптивные скручивающиеся метаматериалы», описанные в статье, опубликованной в журнале Advanced Materials , представляют собой новый подход к используемым в настоящее время материалам для защиты от ударов. В отличие от обычных пен или зон смятия, которые обеспечивают заданную стойкость к ударам, материал, разработанный группой, реагирует на удары механически контролируемым образом, тем самым изменяя поглощение энергии. Их можно точно настроить для повышения устойчивости к сильным столкновениям или более мягкой амортизации при более слабых ударах.

Материалы изготовлены из стали с помощью 3D-печати. ​​Этот процесс даёт команде полный контроль над структурой материала, позволяя создавать сложную, высокопористую структуру, известную как гироидная решётка. При сжатии материала внешней силой он скручивается подобно штопору, поглощая энергию удара. В лабораторных экспериментах команда протестировала три варианта материала, чтобы оценить их реакцию на два типа нагрузок: быстрые удары и более медленные, постепенно нарастающие деформации.

Когда метаматериал был полностью ограничен в скручивании при ударах, он обеспечивал максимальную жёсткость и поглощал наибольшее количество энергии – 15,36 джоуля на грамм материала. Когда же материалу позволяли свободно скручиваться, его жёсткость и поглощение энергии снижались примерно на 10%. В третьей конфигурации материал подвергался чрезмерному скручиванию, что снижало поглощение энергии на 33%. Результаты показывают, что материал обладает потенциалом для обеспечения широкого спектра защиты – от жёсткого экранирования до более мягкого поглощения энергии.

Реальные испытания, проводимые группой, подкреплены комплексной теоретической и вычислительной моделью, которая позволяет точно предсказывать сложное поведение скручивающихся гироидных решёток при различных скоростях деформации. Для точного численно-экспериментального совмещения геометрические несовершенства, внесённые в процессе 3D-печати, количественно оценивались путём интеграции микро-КТ-реконструкций напечатанных решёток.

Исследованием руководил профессор Шанмугам Кумар из Инженерной школы имени Джеймса Уотта Университета Глазго. «Защитные материалы, используемые сегодня в большинстве транспортных средств, статичны, разработаны для конкретных сценариев ударов и не способны адаптироваться к изменяющимся условиям», — сказал он. «В этом исследовании представлены адаптивные скручивающиеся метаматериалы как новый класс метаматериалов , которым не требуется сложная электроника или гидравлика для адаптации. Вместо этого они могут адаптироваться просто посредством механического управления вращением. Когда мы применяем сжатие, решетка гироида преобразует его в скручивание, и, изменяя граничные условия, мы можем настраивать характеристики поглощения энергии. Эти материалы могут адаптироваться и изменять свои характеристики в зависимости от типа и силы удара, чтобы смягчить последствия».

«Мы считаем, что этот материал может найти применение в будущем как в автомобильной, так и в аэрокосмической безопасности , представляя собой единый новый класс материалов, способных адаптироваться к различным потребностям по мере необходимости. Он также может способствовать разработке новых форм сбора энергии, преобразуя удары во вращательную кинетическую энергию», — сказал профессор Шанмугам Кумар.

В исследовании приняли участие исследователи из Политехнического университета Марке, Университета Л’Акуилы и Национального института ядерной физики Италии, которые выступили соавторами статьи.

Источник