Инженеры из Массачусетского технологического института, Университета Южной Калифорнии и других стран теперь добавляют к этому любопытному классу термоусадочных материалов. Команда во главе с Николаем X. Фанг, доцент кафедры машиностроения Массачусетского технологического института, изготовил крошечные звездообразные конструкции из соединенных между собой балок или ферм. Структуры, каждая размером с кубик сахара, быстро сжимаются при нагревании примерно до 540 градусов по Фаренгейту (282 C).
Фермы каждой конструкции изготовлены из типичных материалов, расширяющихся при нагревании. Фанг и его коллеги поняли, что эти фермы, когда они расположены в определенной архитектуре, могут тянуть структуру внутрь, заставляя ее сжиматься, как сфера Хобермана – складной игрушечный шар, сделанный из соединенных между собой решеток и суставов.
Исследователи считают эти структуры «метаматериалами» – композитными материалами, конфигурации которых демонстрируют странные, часто противоречащие интуиции свойства, которые обычно не встречаются в природе.
В некоторых случаях сопротивление этих структур расширению при нагревании – а не их реакция на сжатие как таковая – может быть особенно полезным.
Такие материалы могут найти применение, например, в компьютерных микросхемах, которые могут деформироваться и деформироваться при нагревании в течение длительного периода времени.
«Печатные платы могут нагреваться при работающем процессоре, и это внезапное нагревание может повлиять на их производительность», – говорит Фанг. "Поэтому вам действительно нужно очень внимательно учитывать этот тепловой стресс или шок."
Исследователи опубликовали свои результаты в журнале Physical Review Letters. Соавторами Фанга являются бывший постдок Массачусетского технологического института Ци Гэ, а также ведущий автор Цимин Ван из Университета Южной Калифорнии, Джонатан Хопкинс из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, а также Джули Джексон и Кристофер Спадаччини из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL).
Ингредиенты для печати
В середине 1990-х ученые предложили теоретические структуры, расположение которых должно проявлять свойство, называемое «отрицательным тепловым расширением» или NTE. Ключом к этой конструкции было создание трехмерных решетчатых структур из двух типов материалов, каждый с различным коэффициентом NTE или скоростью расширения при нагревании. Когда вся конструкция нагревается, один материал должен расширяться быстрее и втягивать другой материал внутрь, в результате чего вся конструкция сжимается.
«В этих теоретических статьях говорилось о том, как эти типы структур могут действительно нарушить общепринятый предел теплового расширения», – говорит Фанг. "Но в то время они были ограничены тем, как были сделаны вещи. Вот где мы увидели в этом отличную возможность для микротехнологии продемонстрировать эту концепцию."
Лаборатория Фанга впервые применила технику трехмерной печати, называемую микростереолитографией, при которой исследователи используют свет проектора для печати очень маленьких структур в жидкой смоле, слой за слоем.
«Теперь мы можем использовать систему микростереолитографии для создания термомеханического метаматериала, который может позволить использовать приложения, которые раньше были невозможны», – сказал Спадаччини, директор Центра инженерных материалов и производства LLNL. «Обладает термомеханическими свойствами, недостижимыми для обычных сыпучих материалов."
«Мы можем взять ту же идею, что и струйный принтер, и печатать и закреплять разные ингредиенты на одном шаблоне», – говорит Фанг.
Вдохновленный общей схемой, предложенной ранее теоретиками, Фанг и его коллеги напечатали небольшие трехмерные звездообразные структуры, сделанные из соединяющихся балок.
Они изготовили каждую балку из одного из двух ингредиентов: жесткого, медленно расширяющегося медьсодержащего материала и более эластичного, быстро расширяющегося полимерного вещества. Внутренние балки были изготовлены из эластичного материала, а внешние фермы – из жесткой меди.
«Если у нас будет правильное размещение этих балок и решеток, то даже если каждый отдельный компонент будет расширяться из-за того, как они тянут друг друга, общая решетка может фактически сжаться», – говорит Фанг.
«Проблема, которую мы решаем, – это проблема теплового несоответствия», – говорит Ван. «Эти материалы имеют разные коэффициенты теплового расширения, поэтому при повышении температуры они взаимодействуют друг с другом и втягиваются внутрь, поэтому общий объем конструкции уменьшается."
«Комната для экспериментов»
Исследователи подвергли свои композитные конструкции испытанию, поместив их в небольшую стеклянную камеру и медленно увеличивая температуру в камере с комнатной до примерно 540 градусов по Фаренгейту. Они заметили, что при нагревании конструкция сначала сохраняла свою первоначальную форму, а затем постепенно изгибалась внутрь, уменьшаясь в размерах.
"Он уменьшается примерно на одну тысячу, или примерно на 0.6 процентов ", – говорит Фанг. Хотя это может показаться несущественным, Фанг добавляет, что «сам факт его усадки впечатляет.«Для большинства приложений, – говорит Фанг, – дизайнеры могут просто предпочесть конструкции, которые не расширяются при нагревании.
В дополнение к своим экспериментам исследователи разработали вычислительную модель, чтобы охарактеризовать отношения между соединяющими балками, промежутками между балками, а также направлением и степенью их расширения под действием тепла.
Исследователи могут контролировать степень усадки конструкции, настраивая два основных «регулятора» в модели: размеры отдельных балок и их относительную жесткость, которая напрямую связана со скоростью теплового расширения материала.
«Теперь у нас есть метод настройки для цифрового размещения отдельных компонентов различной жесткости и теплового расширения внутри конструкции, и мы можем заставить конкретную балку или секцию отклоняться или расширяться желаемым образом», – говорит Фанг. "Есть место для экспериментов с другими материалами, такими как углеродные нанотрубки, которые прочнее и легче. Теперь мы можем получить больше удовольствия в лаборатории, исследуя эти различные структуры."