В ПНИПУ исследовали поведение ауксетиков при термическом воздействии
Поведение материалов с нетипичной реакцией на внешние воздействия — ауксетиков — на изменение температуры изучили специалисты Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ), сообщила 17 марта пресс-служба вуза.
Ауксетики, обладающие уникальной структурой, демонстрируют нетипичную реакцию на внешние воздействия. Так, при приложении к образцу из этого материала значительной вертикальной нагрузки он не сплющится, став шире, как это случится с обычным материалом, а сожмется, став тоньше.
Такая реакция позволяет использовать их для решения многих проблем. Из ауксетиков можно создавать протезы, которые будут «расти» вместе с пациентом, стенты коронарных сосудов, ортопедические имплантаты, которые будут адаптироваться под индивидуальные особенности пациентов, и др.
Кроме механического воздействия, на свойства ауксетиков влияет и изменение температуры. Как именно это происходит, выяснили ученые Пермского Политеха и описали в статье «Влияние изменения коэффициента термического расширения на термомеханическую деформацию цилиндров с ауксетичностью в плоскости на основе повторно-входящих ячеек А.С.», опубликованной. в журнале «Вестник ПНИПУ. Механика» № 6 за 2024 год.
Полученные политехниками данные помогут проектировать 3D-изделия с желаемыми характеристиками для разных режимов эксплуатации.
Хотя ауксетики существуют и в природе (минерал кристобалит), в основном их создают искусственно, формируя из специально спроектированных ячеек решетчатую структуру, напоминающую пчелиные соты. Индивидуальная комбинация такой решетки определяется конкретными требованиями к изделию. Расширение или сжатие изделия приводит к перемещению ячеек в структуре и изменению размера всей конструкции.
Эти ячейки могут быть изготовлены из различных материалов — металла, полимера, пластика и т. д. Однако у каждого материала свой коэффициент термического расширения, определяющий величину его увеличения или уменьшения при нагреве или охлаждении. Применение таких конструкций в производстве требует точных данных о влиянии этого коэффициента на изменения ячеистой структуры изделия.
Именно такие данные о зависимости поведения ауксетиков от коэффициента термического расширения получили ученые ПНИПУ. Для этого они создали компьютерную модель объединенных в цилиндр ячеек, повернутых перпендикулярно оси. Поскольку такая форма размещения в настоящее время была наименее изученной, эта модель дает исследователям возможность получить расширенное представление о поведении структуры в нетипичном положении.
В программу модели вводили разные показатели коэффициента термического расширения и отслеживали изменение свойств ауксетиков при повышенной температуре для случая двух типов механической нагрузки — давлении, приложенном изнутри и снаружи цилиндра.
Младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ аспирант Анастасия Тарасова рассказала о проведенной работе:
«В результате исследования мы изучили, как ауксетики ведут себя под нагрузкой в зависимости от температуры. Мы выяснили, что ауксетичные цилиндры, изготовленные из материалов с более низким коэффициентом термического расширения, при воздействии внешнего давления и температуры будут сжиматься, а с более высоким — расширяться. Благодаря этому мы видим, как одна и та же структура принципиально меняет свое поведение — от сжатия к расширению, в зависимости от материалов из которых она изготовлена».
Заведующий научно-исследовательской лабораторией «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ доцент кафедры «Динамика и прочность машин» Михаил Ташкинов пояснил ценность полученных данных:
«Результаты исследований способствуют созданию умных материалов, которые могут подстраиваться к внешним условиям, улучшая эффективность и долговечность изделий. Ауксетики могут быть использованы для компенсации температурных деформаций и снижения термических напряжений. Подобная адаптивность к температурным воздействиям востребована, например, в аэрокосмических, строительных и медицинских приложениях».
Применение материалов с такой структурой могут помочь уменьшить изменения формы и размера материалов при сильных колебаниях температуры, Это очень важно, например, для обеспечения целостности корпусов космических кораблей, которым в полете приходится испытывать экстремальные перепады температуры.
Данные, полученные в этом исследовании учеными ПНИПУ, дополнят базу данных о термомеханическом поведении ауксетичных структур. Ее могут использовать разработчики различных устройств, для которых важно контролировать реакцию на разные факторы. Особенно это касается конструкций, подвергающихся при эксплуатации экстремальным механическим и термическим воздействиям.
