<p><span style="color: #343536; font-family: 'PT Sans', sans-serif; font-size: 17.6px; white-space: normal; background-color: #f7f7f7; float: none; display: inline;">由格拉斯哥大學(xué)研究人員領(lǐng)導(dǎo)的工程師團(tuán)隊(duì)開發(fā)了第一個(gè)能夠?qū)?3D 打印復(fù)合材料的復(fù)雜物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模的系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠僅使用電流量度來(lái)檢測(cè)應(yīng)變、負(fù)載和損傷。</span></p> <p>&nbsp;</p> <p><img style="display: block; margin-left: auto; margin-right: auto;" src="https://info.compassedu.hk/sucai/content/1728378777667/1728378777667.jpg" width="640" height="310" /></p> <p>&nbsp;</p> <p><span style="box-sizing: inherit; color: #343536; font-family: 'PT Sans', sans-serif; font-size: 17.6px; white-space: normal; background-color: #f7f7f7;"><span style="box-sizing: inherit;"><strong style="box-sizing: inherit; font-weight: bold;">可視化自感應(yīng)材料的智能行為</strong></span><em style="box-sizing: inherit;">：該圖像顯示了智能材料如何感知自身形狀/狀態(tài)的變化。當(dāng)材料被擠壓時(shí)（左：無(wú)擠壓，右：擠壓 20%），電流流經(jīng)它的方式會(huì)發(fā)生變化。這種&ldquo;感覺(jué)&rdquo;和檢測(cè)變化的能力可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車輛或飛機(jī)的健康狀況，從而提高安全性和性能。</em><br style="box-sizing: inherit;" /><br style="box-sizing: inherit;" />通過(guò)允許材料科學(xué)家首次提前預(yù)測(cè)如何微調(diào)新結(jié)構(gòu)以產(chǎn)生強(qiáng)度、剛度和自感應(yīng)特性的特定組合，它可以幫助促進(jìn)該技術(shù)的革命性新應(yīng)用的開發(fā)。<br style="box-sizing: inherit;" /><br style="box-sizing: inherit;" />在航空航天和汽車行業(yè)，利用該團(tuán)隊(duì)的見解生產(chǎn)的新材料可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)飛機(jī)、航天器和車輛部件的結(jié)構(gòu)完整性，從而提高安全性和維護(hù)效率。<br style="box-sizing: inherit;" /><br style="box-sizing: inherit;" />對(duì)于土木工程，這些材料可以通過(guò)對(duì)橋梁、隧道和高層建筑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行持續(xù)評(píng)估，在問(wèn)題導(dǎo)致倒塌之前盡早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，從而促進(jìn)智能基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展。它們可以為自動(dòng)化制造中工作的機(jī)器人提供類似的好處，甚至幫助戰(zhàn)場(chǎng)上的士兵密切關(guān)注防彈衣板的完整性。<br style="box-sizing: inherit;" /><br style="box-sizing: inherit;" />3D 打印，也稱為增材制造，可以通過(guò)使用塑料、金屬或陶瓷等材料逐層構(gòu)建復(fù)雜結(jié)構(gòu)來(lái)創(chuàng)建復(fù)雜結(jié)構(gòu)。<br style="box-sizing: inherit;" /><br style="box-sizing: inherit;" />隨著技術(shù)的發(fā)展，研究人員已經(jīng)能夠創(chuàng)造出具有獨(dú)特特性的越來(lái)越復(fù)雜的材料。例如，在結(jié)構(gòu)的內(nèi)部引入蜂窩狀腔室格子，可以使材料巧妙地平衡重量和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。<br style="box-sizing: inherit;" /><br style="box-sizing: inherit;" />在整個(gè)材料中編織碳納米管的細(xì)絲可以使它們攜帶電流，使它們能夠通過(guò)一種稱為壓阻性的現(xiàn)象來(lái)監(jiān)測(cè)自身的結(jié)構(gòu)完整性。當(dāng)電流讀數(shù)發(fā)生變化時(shí)，它可能表明材料已被壓碎或拉伸，從而可以采取措施來(lái)解決故障。<br style="box-sizing: inherit;" /><br style="box-sizing: inherit;" />格拉斯哥大學(xué)詹姆斯瓦特工程學(xué)院的 Shanmugam Kumar 教授領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究，該研究作為一篇文章發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》雜志上。他說(shuō)：&ldquo;賦予 3D 打印的蜂窩材料壓阻行為，使它們能夠在沒(méi)有任何額外硬件的情況下監(jiān)控自己的性能。這意味著我們可以為廉價(jià)、相對(duì)容易制造的材料注入非凡的能力，以檢測(cè)它們何時(shí)受到傷害并測(cè)量它們的損壞程度。這些類型的晶格材料，我們稱之為自主傳感架構(gòu)材料，在創(chuàng)造各個(gè)領(lǐng)域的高級(jí)應(yīng)用方面具有巨大的未開發(fā)潛力。<br style="box-sizing: inherit;" /><br style="box-sizing: inherit;" />&ldquo;雖然研究人員已經(jīng)了解這些特性有一段時(shí)間了，但我們無(wú)法做的是提供一種方法來(lái)提前了解創(chuàng)造新型自感應(yīng)材料的新嘗試將有多有效。相反，我們經(jīng)常依靠反復(fù)試驗(yàn)來(lái)確定最佳方法用于開發(fā)這些材料，這可能既耗時(shí)又昂貴。<br style="box-sizing: inherit;" /><br style="box-sizing: inherit;" />在論文中，研究人員描述了他們?nèi)绾瓮ㄟ^(guò)一系列嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)并結(jié)合建模來(lái)開發(fā)他們的系統(tǒng)。<br style="box-sizing: inherit;" /><br style="box-sizing: inherit;" />他們使用一種稱為聚醚酰亞胺 （PEI） 的塑料與碳納米管混合，創(chuàng)造了一系列四種不同的輕質(zhì)晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。然后測(cè)試這些設(shè)計(jì)的剛度、強(qiáng)度、能量吸收和自感應(yīng)能力。<br style="box-sizing: inherit;" /><br style="box-sizing: inherit;" />使用復(fù)雜的計(jì)算機(jī)建模，他們開發(fā)了一個(gè)系統(tǒng)，旨在預(yù)測(cè)材料如何響應(yīng)一組不同的載荷。然后，他們通過(guò)在真實(shí)條件下對(duì)材料進(jìn)行密集分析來(lái)驗(yàn)證他們的多尺度有限元模型的預(yù)測(cè)，利用紅外熱成像實(shí)時(shí)可視化流經(jīng)材料的電流，利用這些材料內(nèi)的熱流和電流之間的類比。<br style="box-sizing: inherit;" /><br style="box-sizing: inherit;" />他們發(fā)現(xiàn)，他們的模型可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)材料如何響應(yīng)各種應(yīng)力和應(yīng)變組合，以及它們的電阻將如何受到影響。這些結(jié)果可以通過(guò)在打印第一個(gè)真實(shí)原型之前深入了解擬議的新材料的性能，從而幫助支持增材制造的未來(lái)發(fā)展。<br style="box-sizing: inherit;" /><br style="box-sizing: inherit;" /><br style="box-sizing: inherit;" />該研究建立在該團(tuán)隊(duì)之前的發(fā)展基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)最近發(fā)表了一篇論文，展示了另一種建模方法，該方法使研究人員能夠預(yù)測(cè)增材制造引起的缺陷如何影響任何新設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)完整性。<br style="box-sizing: inherit;" /><br style="box-sizing: inherit;" />Kumar 教授補(bǔ)充道：&ldquo;通過(guò)這項(xiàng)研究，我們開發(fā)了一個(gè)全面的系統(tǒng)，能夠?qū)ψ愿袘?yīng) 3D 打印材料的性能進(jìn)行建模。它以嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)和理論為基礎(chǔ)，代表了同類系統(tǒng)中第一個(gè)能夠在多個(gè)尺度上對(duì) 3D 打印材料進(jìn)行建模并結(jié)合多種物理類型的系統(tǒng)。<br style="box-sizing: inherit;" /><br style="box-sizing: inherit;" />&ldquo;雖然我們?cè)诒疚闹袑Ｗ⒂谇度胩技{米管的 PEI 材料，但我們的結(jié)果所基于的多尺度有限元建?？梢院苋菀椎貞?yīng)用于也可以通過(guò)增材制造制造的其他材料。<br style="box-sizing: inherit;" /><br style="box-sizing: inherit;" />&ldquo;我們希望這種方法能鼓勵(lì)其他研究人員開發(fā)新的自主傳感架構(gòu)材料，從而在各行各業(yè)的材料設(shè)計(jì)和開發(fā)中釋放這種方法的全部潛力。&rdquo;<br style="box-sizing: inherit;" /><br style="box-sizing: inherit;" />Mattia Utzeri 是格拉斯哥可持續(xù)多功能材料和增材制造 （SM2AM） 實(shí)驗(yàn)室的前博士生，目前是意大利馬爾凱理工大學(xué)的研究員，與土耳其伊斯坦布爾技術(shù)大學(xué)的合作者一起為這項(xiàng)工作做出了貢獻(xiàn)。該團(tuán)隊(duì)的論文題為&ldquo;Autonomous Sensing Architected Materials&rdquo;，發(fā)表在&nbsp;<em style="box-sizing: inherit;">Advanced Functional Materials</em> 上。</span></p>