Razvijanje naprednih metamaterialov z izboljšano odpornostjo pri vibracijskem utrujanju

Povpraševanje po lahkih in večnamenskih materialih z izboljšanimi lastnostmi v inženirstvu in drugih aplikacijah se je povečalo zaradi pomanjkanja virov, naraščajočih stroškov surovin in strožjih politik trajnostnega razvoja. Nekateri najbolj obetavni materiali pri izpolnjevanju teh zahtev so celični materiali z notranjo celično strukturo. So umetno izdelani materiali z zapletenimi strukturami, ki jim dajejo nove lastnosti, kot so visoka razmerja med togostjo in težo, izboljšana odpornost proti zlomu, izboljšana odpornost na poškodbe in povečana specifična absorpcija energije. Kombinacija različnih osnovnih materialov z namensko oblikovanimi celičnimi strukturami različnih morfologij omogoča doseganje edinstvene in privlačne kombinacije mehanskih in termičnih lastnosti. Te lastnosti je mogoče prilagoditi s skrbnim načrtovanjem celične strukture, ki tako pridobi lastnosti, ki jih v naravnih materialih ni. Potreba po močnih, lahkih in togih materialih se je v zadnjih letih povečala na račun povečanih zahtev po konstrukcijski zmogljivosti. To je pripeljalo do razvoja naprednih materialov z edinstveno mikrostrukturo, heterogenostjo ali hibridnimi sestavami, ki izpolnjujejo te zahteve. Uporaba arhitekturnih metamaterialov je pritegnila pozornost zaradi njihovih visoko nadzorovanih struktur, kar jim omogoča, da dosežejo izjemno strukturno zmogljivost. Avksetična celična struktura je vrsta metamateriala, ki ima negativno Poissonovo razmerje, kar pomeni, da se struktura razširi v bočni smeri, ko je izpostavljena vzdolžni natezni obremenitvi in obratno v primeru tlačne obremenitve. Takšno vedenje je omogočeno s skrbnim načrtovanjem 2D ali 3D celičnih skeletov podobnih tečajem ali ploščam, z vnaprej določeno geometrijo. V zadnjem času se več pozornosti posveča raziskavam metamaterialov s trojno periodično minimalno površinsko strukturo (TPMS). TPMS metamateriali so razred matematično oblikovanih struktur, ki jih definira njihova minimalna površina in periodičnost v treh dimenzijah. Geometrije in mehanske lastnosti večine celičnih, še posebej pa avksetičnih in TPMS metamaterialov (morfologija in topologija) še niso jasno karakterizirane in določene, ob tem pa morajo biti definirani tudi še številni vplivni parametri na mehanski odziv, še posebej pri utrujenostni obremenitvi. Namen predlaganega projekta je razvoj naprednih metamaterialov z izboljšano odpornostjo pri vibracijskem utrujanju. Raziskovalno delo bo vključevalo obsežno eksperimentalno testiranje pri kvazi-statičnih in cikličnih dinamičnih pogojih obremenjevanja. Eksperimentalni rezultati bodo podali potrebne informacije o kompleksnem deformacijskem načinu metamaterialov pri različnih pogojih obremenjevanja, kar bo omogočilo določitev najprimernejše kombinacije geometrije in materiala v celični strukturi za doseganje željenega obnašanja. Obsežno eksperimentalno testiranje avksetičnih in TPMS metamaterialov bo dopolnjeno z računalniškimi simulacijami, kar bo omogočilo popolno karakterizacijo mehanskega obnašanja, kar je nujno potrebno za uspešno implementacijo in uporabo teh materialov v sodobnih aplikacijah. Kljub napredku, ki je bil dosežen pri razvoju metamaterialov, še vedno obstajajo izzivi pri ustvarjanju novih metamaterialov, ki bi imeli visoko nosilnost in odlično odpornost na utrujanje. Z uporabo parametrične optimizacije, ki bo vključevala kombinacijo računalniško podprtega načrtovanja in računalniških simulacij bodo v nadaljevanju razviti metamateriali z izboljšanimi mehanskimi lastnostmi. Namen tega raziskovalnega projekta je obravnavati ta izziv z načrtovanjem in analizo 2D in 3D metamaterialov, ki imajo velik potencial za uporabo v različnih panogah. Rezultati tega projekta bodo bistveno prispevali k razumevanju geometrijskih in mehanskih lastnosti ter obnašanja naprednih metamaterialov pri utrujanju. Omeniti velja, da je preučevanje utrujanja metamaterialov še vedno v zgodnjih fazah in zahteva nadaljnje raziskave.