Metamaterial i mikroskala

Strukturella metamaterial i mikroskala är syntetiska strukturer som syftar till att ge specifika önskade mekaniska fördelar. Dessa designs är ofta inspirerade av naturliga cellulära material som växt- och benvävnad som har överlägsen mekanisk effektivitet på grund av deras låga vikt-till-styvhetsförhållanden.

Syntes

Projektionsmikrostereolitografi

Detta är en additiv utskriftsteknik lager för lager som möjliggör skapandet av godtyckliga 3D-strukturer . Tillsammans med beläggningstekniker i nanoskala kan mikrostereolitografi skapa komplexa mikrogitter med ultralåg densitet.

Processen involverar vanligtvis en dynamiskt omkonfigurerbar digital fotomask . En 3-D-modell sönderdelas i en serie 2-D-plan, vars mönster överförs till fotomasken. När den skiner igenom av UV-ljus kommer masken att överföra bilden av planen till en lins som sedan projicerar den på ett ljuskänsligt polymerharts såsom 1,6-hexandioldiakrylat (HDDA) vilket gör att vätskan härdar i de ljusexponerade områdena. Dessa processer upprepas för varje lager och sätts ihop för att bilda ett 3D-system. Icke-polymergitter kan också skapas från denna process genom ytterligare bearbetning. Till exempel kan metalliska strukturer skapas genom strömlös plätering på basstrukturen följt av avlägsnande av polymeren genom termisk uppvärmning. Liknande deponeringstekniker kan också användas för att skapa keramiska strukturer.

Kontinuerlig vätskegränssnittsutskrift (CLIP)

Denna teknik är en förbättring av lager-för-lager- litografin . Additiv tillverkning kan vara tidskrävande och skapa felaktiga strukturer. Vid konventionell 3-D-utskrift orsakar syrehämning ofta ofullständig härdning och skrymmande ytor under fotokänslig polymerisation. Genom att införa kontrollerade nivåer av syre kommer effektiv initiering och fortplantning av kontinuerliga polymerkedjor att resultera. CLIP fortsätter genom att projicera en kontinuerlig sekvens av UV-bilder (genererade av en digital ljusbehandlande bildenhet) genom ett syregenomsläppligt, UV-transparent fönster under ett flytande hartsbad. Ovanför ett permeabelt fönster finns en syreinhiberande "dödzon" som upprätthålls av en vätskegränsyta. Ovanför dödzonen dras den härdande delen kontinuerligt ut ur hartsbadet, vilket skapar sugkrafter som ständigt förnyar reaktivt flytande harts. Till skillnad från konventionell stereolitografi som använder steg-för-steg-bearbetning, använder CLIP ett kontinuerligt flöde.

Typ

Vid låga relativa densitetsgränser visar dessa strukturer kopplade densitet till styvhet och hållfasthetsförhållanden: $E/E_{s}\propto (\rho /\rho _{s} )^{n}$ och $\sigma _{y}/\sigma _{ys}\propto (\rho /\rho _{s}) ^{n}$ där E är Youngs modul , y är sträckgränsen , ρ är densiteten och nedsänkt s anger bulkvärdet för den specificerade egenskapen.

Stretchdominerad

Stretchdominerade strukturer som t.ex. oktettfrässtruktur har reducerad densitet till styvhetskoppling med n runt 1 över många densitetsstorlekar. Detta möjliggör skapandet av strukturella metamaterial som är både ultralätta, starka och energiabsorberande, med elastiskt beteende upp till och 50 % kompressionsbelastning. Ofta är dessa strukturer mycket isotropa, med deras beteende konstant över olika belastningsriktningar.

Böjdominerad

Böjdominerade strukturer är vanligtvis sådana som tetrakaidekaederstruktur har högre n-värden som resulterar i ett icke-linjärt förhållande mellan densitet och styvhet, eftersom belastningen på dessa kristaller är skjuvning snarare än drag som i deras sträckdominerade motsvarighet. Dessa strukturer kan emellertid också vara mycket kompressiva. Till exempel visade 3-D enkla kubiska bulk- grafenaerogeler skapade med hjälp av lager-för-lager-litografi lätta, mycket ledande och superkomprimerbara (upp till 90 % kompressiv töjning) egenskaper .