Meta Crystals使材料更加坚固和轻盈

一群英国研究人员通过模仿强金属合金中更不规则的微尺度晶体结构，找到了一种方法来制造更耐受损伤的结构材料。一群英国研究人员通过模仿强金属合金中更不规则的微尺度晶体结构，找到了一种方法来制造更耐受损伤的结构材料。这一突破可能让位于具有全新特性的材料，例如更高的强度，更轻的重量以及抵抗材料应力损坏的能力。

在材料科学中，以建筑材料的形式模仿自然通常可以产生更好的结果，例如更高的强度和更轻的重量。典型的建筑材料由“单元格”构成，这些单元格的排列使得它们都具有相同的方向，如具有重复节点和支柱的网格(类似于金属单晶的排列：格子中的节点等同于原子在单晶中，支柱相当于原子键)。

虽然这种类型的单晶材料非常适合高温应用，但它对抗机械应力并不是那么好。当材料过载时，可能出现局部的高应力带(“剪切带”)，导致材料以裂缝的形式发生高度局部变形，最终导致坍塌。

该团队的研究报告“受水晶微观结构启发的耐受损伤的建筑材料”发表在2019年1月7日的“自然”杂志上。

模仿金属的晶体微结构

金属合金的晶格是独特的结构。在原子水平上，它们由相同类型和方向的单元格组成，但是位于许多域中，每个域都包含与附近域的方向不同的晶格取向(与单晶布置不同)。来自伦敦帝国理工学院材料系和谢菲尔德大学的材料研究人员通过构建一个格子单元格来找到一种模拟金属和合金晶体微观结构的方法，该格子单元格由一个由支柱连接的有序节点排列组成。

使用计算机辅助设计包，团队随后能够3D打印“偏晶”材料，使样品比典型材料更耐开裂和弯曲，但也更坚固，更轻。该团队发现，通过减小结构内每个颗粒状晶格区域的尺寸，它可以增加元晶的强度。这些材料也可以以特定的预定结构路径引导损坏的方式产生，以最小化和停止损坏。

“我们的目标是获得高强度和轻质材料，并能够以理想的方式控制损伤，甚至直接损坏我们想要的特定位置，然后通过某些机械机制来阻止损坏，”Minh博士说。伦敦帝国理工学院材料系助理教授Son Pham告诉设计新闻。

该技术可用于制造具有所需特性的多功能材料的零件和部件，例如，可以在不牺牲安全性的情况下减轻重量并提高车辆的燃料效率，或者消除应力遮挡问题的矫形装置更好地重新加热骨骼。其他应用可能包括人造臀部，运动头盔，车辆中更好的防撞区，航空发动机或涡轮叶片中的风扇叶片。

Crystal Lattice Architecture多次强化材料

为了研究的目的，该团队使用熔融沉积模型，还原聚合和粉末床融合创建样品。迄今为止，研究人员已经印刷了三种类型的聚合物，以及包括316L钢和Ti6Al4V在内的金属。原则上，印刷的格子可以用各种材料制成，包括钨，镍合金甚至生物材料。基本上，如果它是可印刷的，可以在其上使用晶格方法来多次增加建筑材料的强度。Pham博士告诉设计新闻，这不仅是关于增加强度，而且还通过调整晶格方向来控制对零件的任何损坏。

“”顺序“(格子)因域而异;但是在域内，晶格取向是均匀的，或者是多晶取向的。我们正在开发一个计算平台，以实现多向晶格的最佳强度，“Pham博士说。

目前，该技术是一种创造复杂和定制组件的有前途的方法，这些组件不需要大量生产，但具有高附加值，例如医疗设备或飞机的昂贵部件。该团队还认为，创建结晶金属合金的新方法将导致新的实验和计算研究，以提高对通过改变元晶的内在微观结构和设计的介观结构所提供的可能性的理解。

“这种方法将提供一种独特的方式来实现3D打印的全部潜力，”Pham博士说。

展望未来，研究人员希望利用这项技术开发出一种轻质，机械坚固且智能的新型材料。

Tracey Schelmetic毕业于康涅狄格州费尔菲尔德的费尔菲尔德大学，并开始在Appleton&Lange担任技术和科学作家兼编辑。后来，作为电信行业期刊Customer Interaction Solutions(今日的客户杂志)的编辑总监，她成为了联络中心行业公认的代言人。如今，她是一名自由撰稿人，专门从事制造业，技术，电信和企业软件。