Биомиметические материалы для защиты от ударов

Новые материалы

Неотъемлемым преимуществом существующих на данный момент природных материалов является набор высоких механических характеристик при определенной иерархичности их структуры. Современные инженерные материалы и конструкции редко показывают комбинацию столь же высоких механических свойств, что делает задачу создания новых биомиметических (природоподобных) материалов особенно актуальной.

Актуальность

Воссоздание микроструктур природных материалов и их механических свойств в макромасштабе позволит создать высокопрочные комбинированные конструкции для использования в средствах защиты различного назначения.

Гипотеза

Поиск структур
(SEM + свойства)

Программирование
и калибровка

Прототип
разрывной машины

Симуляция
и анимация

Блок управления

Испытание
и анализ

Моделирование
структур

Печать образцов

План работы

Таблица 1. Физические свойства природных материалов

Зависимость вязкости разрушения от значения модуля Юнга

Были выбраны материалы с одним из наибольших значений вязкости, но при этом с небольшим показателем модуля Юнга и наоборот, чтобы исследовать их физические свойства и выяснить, какой из материалов способен выдержать большие механические нагрузки. Наш выбор пал на такие материалы, как бамбук, кость и панцирь моллюска.

Выбор природных материалов

Микроструктуры природных материалов

Выполнив аналитический обзор литературы, мы нашли типовые изображения микроструктур природных материалов, полученных при помощи метода сканирующей электронной микроскопии. Анализ форм ячеек и их геометрических размеров производился с помощью программного пакета Fiji.

Симуляция процессов

Помимо реальных экспериментов мы провели интерактивные симуляции процессов разрыва и сжатия. В качестве образцов мы брали материалы с иерархичной структурой бамбука и панциря моллюска. На них производилась нагрузка одинакового значения, и исследовался процесс деформации материалов, результаты которого оказались различны.

Симуляция сжатия гексагональной структуры бамбука

Симуляция сжатия трубчатой структуры бамбука

Симуляция сжатия продольного сечения бамбука

Симуляция сжатия панциря моллюска

Симуляция растяжения панциря моллюска

Симуляция растяжения продольного сечения бамбука

Симуляция растяжения трубчатой структуры бамбука

Симуляция растяжения гексагональной структуры бамбука

Функционирование прототипа осуществляется следующим образом. Крепление образца с помощью прижимных захватов в траверсах. Дальнейшее движение траверсы производится с помощью редукторных двигателей, вращающих валы.

Прототип разрывной машины мы разрабатываем для проведения механических испытаний и определений физических свойств структурных аналогов природных материалов.

Прототип разрывной машины

Функционирование

Проведение механических испытаний

Результаты механических испытаний

Согласно полученным данным можно сделать вывод, что бамбук с гексагональной ячейкой обладает наиболее высокими прочностными и упругими характеристиками по сравнению с круглой или волокнистой структурами. Наиболее слабой структурой стал аналог трабекулярной кости, затем структура панциря моллюска. Стоит отметить, что целью данных испытаний было определить наиболее прочную геометрию структур. В эксперименте были заложены равные сечения и объемы материалов в рабочей зоне.

Фотогалерея

Дальнейшее развитие проекта

Для структур, показавших наиболее оптимальные механические характеристики на растяжение, провести дальнейшие исследования на изгиб, сжатие и ударную вязкость.

Планируется создание гибридных материалов, т.е. смешение иерархических структур.

Создание промышленного прототипа структуры с повышенной ударной вязкостью.

Создание аналогичных структур на основе металлических соединений с помощью аддитивных технологий.