Репортаж от Wedoany，Исследовательская группа Сеульского национального университета (Seoul National University) разработала новый тип сверхлёгкого конструкционного материала, создав мезоскопические углеродные волоконные решётки с помощью метода, называемого 3D-намоткой узлов (3D node winding). Их прочность на вес достигает уровня алюминия, но вес составляет лишь одну сотую от него. Результаты опубликованы в журнале «Nature Communications», демонстрируя новый метод создания прочных и лёгких конструкций без использования соединителей или послойной сборки, что устраняет ключевое узкое место в проектировании — сборку сложных трёхмерных форм из дискретных деталей.
Для таких применений, как дроны, роботы, транспортные средства и аэрокосмические системы, материалы с высокой прочностью и лёгкостью имеют решающее значение. Традиционные углеродные композиты, хотя и обладают отличным соотношением прочности к весу, обычно изготавливаются путём наслаивания или сборки нескольких компонентов, что ограничивает гибкость конструкции и создаёт слабые интерфейсы. Передовые 3D-печатные композиты также зависят от послойного производства, что вносит внутренние границы, препятствующие передаче нагрузки, и вынуждает проектировщиков идти на компромисс между сложностью конструкции и механической надёжностью.
Вместо сборки или наслаивания материалов исследовательская группа размещает одну непрерывную углеродную нить непосредственно в трёхмерном пространстве, определяя структуру. Процесс начинается с временного каркаса, задающего геометрию узлов, вокруг которых наматывается длинная углеродная нить, образуя пространственную решётчатую сеть. После определения геометрии конструкция пропитывается смолой и отверждается, образуя твёрдый композит. Поскольку нить остаётся непрерывной по всей структуре, сила передаётся без перерывов, что позволяет избежать концентрации напряжений и точек разрушения, связанных с соединениями и интерфейсами.
Новая углеродная волоконная решётчатая структура достигает прочности на сжатие 10–30 МПа, что сопоставимо с бетоном, обеспечивая при этом соотношение прочности к весу на уровне алюминия при минимальной массе. Благодаря непрерывным путям нагрузки эти структуры, более эффективно распределяя силу и минимизируя неактивный материал, могут быть до десяти раз прочнее традиционных решётчатых структур того же веса. Для проверки метода исследователи применили эту структуру к раме дрона; переработанная рама снизила конструкционный вес примерно на 79% по сравнению с традиционным дизайном, увеличив время полёта на 33% в тех же эксплуатационных условиях.
Доктор Чун Ён Чхве (Jun Young Choi) и профессор Сон Хун Ан (Sung-Hoon Ahn) отмечают, что пространственная сложность непрерывных волоконных архитектур ограничивала их масштабируемость в традиционном производстве, но с развитием роботизированных технологий и технологий производства на основе ИИ эти структуры теперь могут производиться в больших масштабах, и данная работа предоставляет дорожную карту для их практического применения. Влияние этой технологии распространяется на такие области, как аэрокосмическая промышленность, мобильные системы, робототехника и строительство: в аэрокосмической отрасли она может повысить дальность полёта, грузоподъёмность и энергоэффективность; в робототехнике — увеличить скорость и точность привода; в строительстве — открыть путь для материалосберегающих несущих каркасов. Этот метод поддерживает переход от компонентно-ориентированного проектирования к интегрированным структурным системам, определяемым геометрией, непрерывностью и автоматизированным производством.
Данный материал скомпилирован платформой Wedoany. При цитировании материалов, созданных с помощью искусственного интеллекта (ИИ), необходимо обязательно указывать источник — «Wedoany». В случае выявления нарушения прав или иных проблем просим своевременно информировать нас. Сайт оперативно внесёт изменения или удалит материал.Электронная почта: news@wedoany.com
