Een professor in de technische fysica aan de Universiteit van Wisconsin-Madison heeft nieuwe materialen gemaakt die zich op een ongebruikelijke manier gedragen die de standaardtheorie tart die ingenieurs gebruiken voor het ontwerpen van dingen zoals gebouwen, vliegtuigen, bruggen en elektronische apparaten.

Het is een vooruitgang die de deur zou kunnen openen voor het ontwerpen van nieuwe materialen voor toepassingen die een hoge taaiheid vereisen, bijvoorbeeld vliegtuigvleugels die breukvaster zijn.

De klassieke elasticiteitstheorie werkt goed voor het voorspellen van het gedrag van de meeste gewone materialen, inclusief staal, aluminium en beton, en ervoor te zorgen dat constructies mechanische krachten kunnen weerstaan ​​zonder te veel te breken of te vervormen. Maar voor sommige materialen de theorie is beperkend.

Roderic Lakes en afgestudeerde student Zachariah Rueger gebruikten 3D-printen om hun nieuwe polymeerroostermaterialen te maken. Hun ontwerp - het patroon waarin de polymeerstrips van de materialen zijn gerangschikt - is een zich herhalende kriskrasstructuur. Als het gedraaid of gebogen is, een staaf van dit polymeerrooster is ongeveer 30 keer stijver dan zou worden verwacht op basis van de klassieke elasticiteitstheorie.

De onderzoekers van Wisconsin beschreven hun nieuwe roostermaterialen in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven op 8 februari 2018.

Uitvoeren van metingen in het laboratorium, Lakes stelde vast dat het gedrag van de materialen consistent was met de elasticiteit van Cosserat, een meer beschrijvende elasticiteitstheorie die rekening houdt met de grootte van de onderliggende structuur in een materiaal.

"Als je een materiaal hebt met een onderbouw erin, zoals sommige schuimen, roosters en vezelversterkte materialen, er zit meer vrijheid in dan de klassieke elasticiteitstheorie aankan, "zegt Lakes. "Dus we bestuderen de vrijheid van materialen om zich te gedragen op manieren die niet worden voorzien door de standaardtheorie."

Deze grotere vrijheid biedt een potentieel pad naar het creëren van nieuwe materialen die immuun zijn voor stressconcentratie; met andere woorden, materialen met verbeterde taaiheid. Dergelijke materialen zouden nuttig zijn voor een verscheidenheid aan toepassingen, inclusief het beter bestand maken van vliegtuigvleugels tegen scheuren.

Als zich een scheur vormt in een vliegtuigvleugel, spanning is geconcentreerd rond de scheur, waardoor de vleugel zwakker wordt. "Je hebt een bepaalde hoeveelheid stress nodig om iets te breken, maar als er een barst in zit, je kunt het doorbreken met minder stress, ' zegt Lakes.

Het gebruik van de Cosserat-theorie van elasticiteit om materiaalontwerp te informeren, zal taaiere materialen opleveren waarin spanningen anders door de materialen worden verdeeld, volgens Lakes.

Dezelfde effecten zijn aanwezig in materialen zoals bot en bepaalde soorten schuim. Echter, wanneer ingenieurs schuim maken voor een zitkussen, bijvoorbeeld, ze hebben niet veel controle over de onderstructuur van het schuim - de kleine belletjes die de cellen in het schuim vormen en vormen. Als resultaat, ze hebben een beperkt vermogen om de Cosserat-effecten aan te passen.

In tegenstelling tot schuim, de UW-Madison-onderzoekers kunnen de Cosserat-effecten in hun roostermaterialen afstemmen en ze erg sterk maken.

"We hebben een materiaal ontwikkeld waarin we uitzonderlijk gedetailleerde controle hebben over de fijne structuur van ons rooster, en dat stelde ons in staat om zeer sterke effecten te bereiken bij het buigen en draaien van het materiaal, ' zegt Lakes.