<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)的工程師團隊開發(fā)了第一個能夠?qū)?3D 打印復(fù)合材料的復(fù)雜物理結(jié)構(gòu)進行建模的系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠僅使用電流量度來檢測應(yīng)變、負載和損傷。</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（左：無擠壓，右：擠壓 20%），電流流經(jīng)它的方式會發(fā)生變化。這種&ldquo;感覺&rdquo;和檢測變化的能力可用于實時監(jiān)測車輛或飛機的健康狀況，從而提高安全性和性能。</em><br style="box-sizing: inherit;" /><br style="box-sizing: inherit;" />通過允許材料科學(xué)家首次提前預(yù)測如何微調(diào)新結(jié)構(gòu)以產(chǎn)生強度、剛度和自感應(yīng)特性的特定組合，它可以幫助促進該技術(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)，利用該團隊的見解生產(chǎn)的新材料可以實時監(jiān)測飛機、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效率。<br style="box-sizing: inherit;" /><br style="box-sizing: inherit;" />對于土木工程，這些材料可以通過對橋梁、隧道和高層建筑的結(jié)構(gòu)進行持續(xù)評估，在問題導(dǎo)致倒塌之前盡早發(fā)現(xiàn)問題，從而促進智能基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展。它們可以為自動化制造中工作的機器人提供類似的好處，甚至幫助戰(zhàn)場上的士兵密切關(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)造出具有獨特特性的越來越復(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)強度。<br style="box-sizing: inherit;" /><br style="box-sizing: inherit;" />在整個材料中編織碳納米管的細絲可以使它們攜帶電流，使它們能夠通過一種稱為壓阻性的現(xiàn)象來監(jiān)測自身的結(jié)構(gòu)完整性。當(dāng)電流讀數(shù)發(fā)生變化時，它可能表明材料已被壓碎或拉伸，從而可以采取措施來解決故障。<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)了這項研究，該研究作為一篇文章發(fā)表在《先進功能材料》雜志上。他說：&ldquo;賦予 3D 打印的蜂窩材料壓阻行為，使它們能夠在沒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、相對容易制造的材料注入非凡的能力，以檢測它們何時受到傷害并測量它們的損壞程度。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)造各個領(lǐng)域的高級應(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間了，但我們無法做的是提供一種方法來提前了解創(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)試驗來確定最佳方法用于開發(fā)這些材料，這可能既耗時又昂貴。<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^一系列嚴格的實驗室實驗并結(jié)合建模來開發(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。然后測試這些設(shè)計的剛度、強度、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)雜的計算機建模，他們開發(fā)了一個系統(tǒng)，旨在預(yù)測材料如何響應(yīng)一組不同的載荷。然后，他們通過在真實條件下對材料進行密集分析來驗證他們的多尺度有限元模型的預(yù)測，利用紅外熱成像實時可視化流經(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)，他們的模型可以準確預(yù)測材料如何響應(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)果可以通過在打印第一個真實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;" />該研究建立在該團隊之前的發(fā)展基礎(chǔ)上，該團隊最近發(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)測增材制造引起的缺陷如何影響任何新設(shè)計的結(jié)構(gòu)完整性。<br style="box-sizing: inherit;" /><br style="box-sizing: inherit;" />Kumar 教授補充道：&ldquo;通過這項研究，我們開發(fā)了一個全面的系統(tǒng)，能夠?qū)ψ愿袘?yīng) 3D 打印材料的性能進行建模。它以嚴格的實驗和理論為基礎(chǔ)，代表了同類系統(tǒng)中第一個能夠在多個尺度上對 3D 打印材料進行建模并結(jié)合多種物理類型的系統(tǒng)。<br style="box-sizing: inherit;" /><br style="box-sizing: inherit;" />&ldquo;雖然我們在本文中專注于嵌入碳納米管的 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） 實驗室的前博士生，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工作做出了貢獻。該團隊的論文題為&ldquo;Autonomous Sensing Architected Materials&rdquo;，發(fā)表在&nbsp;<em style="box-sizing: inherit;">Advanced Functional Materials</em> 上。</span></p>