خودروهای سبک و ایمن با استفاده از متامتریال ها

این متامتریال های صفحه ای مشبک کامپوزیتی نانولوله های کربنی پلاستیکی (plastic-carbon nanotube composite plate-lattice metamaterials) متعلق به دسته ای از جامدات سلولی مصنوعی هستند که برای ارائه ویژگی هایی که در جهان طبیعی وجود ندارد، طراحی و مهندسی شده اند.

متامتریال صفحه ای مشبک به ساختارهای مکعبی ساخته شده از لایه های متقاطع صفحات گفته می شود که با وجود فضای قابل توجه بین صفحات، سختی و استحکام فوق العاده بالایی از خود نشان می دهند. این فضاها، که مهندسین آن را تخلخل می نامند، باعث می شوند که صفحه های مشبک بی اندازه سبک باشند.دانشمندان در این تحقیق بررسی کرده اند که آیا طراحی این صفحات مشبک با استفاده از کامپوزیت نانولوله-پلاستیک می تواند یک متامتریال جدید با خواصی حتی بهتر از مواد موجود ایجاد کند.

کامپوزیت مورداستفاده مخلوطی از پلی پروپیلن و پلی اتیلن معمولی با نانولوله های کربنی چند جداره است. محققان از نانوکامپوزیت رشته ای به عنوان ماده اولیه چاپگر سه بعدی استفاده کردند، که رشته ها را با هم ادغام می کند و مجموعه ای از طرح های صفحه مشبک را می سازد. سپس این طرح ها تحت یک سری آزمایشات ضربه ای برای تعیین مقاومتشان در برابر شوک فیزیکی قرار گرفتند.

تیم ابتدا سه نوع صفحه مشبک معمولی - یک مکعب ساده ساخته شده از تقاطع سه صفحه، یک مکعب پیچیده تر با صفحات متقاطع اضافی و یک طرح چند وجهی - را که طراحی کرده و ساخته بودند، آزمایش کرد. این صفحه های مشبک معمولی در دو دسته پلی پروپیلنی و پلی اتیلنی ساخته شدند.

سپس، سه نوع صفحه مشبک هیبریدی که ویژگی های طرح های ساده آزمایشات اول را باهم ترکیب می کنند، مجدداً در دسته های پلی پروپیلنی و پلی اتیلنی، ساخته و آزمایش شدند.طرح هیبریدی پلی پروپیلنی که هر سه طرح صفحه مشبک را با هم ترکیب می کند، بیشترین مقاومت در برابر ضربه را از خود نشان داد.

با استفاده از کمیت جذب انرژی ویژه، که دانشمندان برای تعیین توانایی مواد در جذب انرژی نسبت به جرم استفاده می کنند، تیم تحقیق دریافت که صفحه مشبک هیبریدی پلی پروپیلن می تواند 19.9 ژول در گرم را تحمل کند، که عملکردی برتر در مقایسه با میکرو متامتریال های آلومینیومی محسوب می شود.

پیشرفت در چاپ سه بعدی باعث شده تا طراحی اشکال هندسی پیچیده با تخلخل دلخواه، آسان تر و ارزان تر از قبل امکان پذیر باشد و ساخت این نوع طرح ها در مقیاس صنعتی در حال تبدیل شدن به یک واقعیت است.