تتقلص الهياكل المطبوعة ثلاثية الأبعاد عند تسخينها
يمكن أن تؤدي المواد المعدنية غير البديهية إلى إنشاء دوائر إلكترونية مقاومة للحرارة
يتم توسيع جميع المواد الصلبة تقريبًا ، من المطاط والزجاج إلى الجرانيت والصلب ، عند تسخينها. فقط في حالات نادرة جدًا ، تتعارض مواد معينة مع النظام وتتقلص عند تسخينها. على سبيل المثال ، يتم ضغط الماء البارد إذا تم تسخينه من 0 إلى 4 درجات مئوية ، قبل أن يبدأ في التوسع.أضاف المهندسون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة جنوب كاليفورنيا أشياء جديدة إلى هذا الفصل. قام فريق بقيادة نيكولاس إكس فانغ ، أستاذ مشارك في الهندسة الميكانيكية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، بإنشاء هياكل على شكل نجمة تتكون من الحزم المتصلة ، أو الدعامات. تتقلص هذه الهياكل بحجم مكعب السكر بسرعة عند تسخينها إلى 282 درجة مئوية.تتكون المزارع من مواد تقليدية تتوسع عند تسخينها. أدرك فانغ وزملاؤه أنه إذا تم دمجهم بطريقة خاصة ، فسيكون بإمكانهم سحب الهيكل إلى الداخل ، مما يجبره على الانكماش مثل لعبة كرة Goberman.يعتقد الباحثون أن إنشائهم ينتمي إلى "المواد الفوقية" - المواد المركبة ، التي يكون لتكوينها خصائص غريبة وغالبًا ما تكون غير بديهية ، وعادة ما لا توجد في الطبيعة.في بعض الحالات ، قد لا يكون من المفيد ضغط هذه الهياكل نفسها ، ولكن مقاومتها للتوسع عند التسخين. يمكن استخدام هذه المواد ، على سبيل المثال ، في تصنيع رقائق الكمبيوتر التي تتشوه تحت التدفئة لفترات طويلة.يقول فانغ: "يمكن أن ترتفع درجة حرارة لوحات الدوائر المطبوعة عند تشغيل وحدة المعالجة المركزية ، ويمكن أن تؤثر التدفئة على أدائها". "لذلك ، [عند التصميم] من الضروري مراعاة هذه الخاصية بعناية.مكونات الطباعة
في منتصف التسعينات ، اقترح العلماء هياكل ممكنة نظريًا يمكن أن يمنحها هيكلها خاصية "التمدد الحراري السلبي" (NTE). للقيام بذلك ، كان من الضروري إنشاء هياكل شبكية ثلاثية الأبعاد من مادتين مع معاملات تمدد مختلفة عند تسخينها. عندما يتم تسخين الهيكل بأكمله ، يجب أن تتمدد إحدى المواد بشكل أسرع وترسم الأخرى إلى الداخل ، ونتيجة لذلك سينخفض الحجم الكلي للهيكل.يقول فانغ: "لقد تحدث العمل النظري عن كيف يمكن لهذه الهياكل أن تنتهك القيود المعتادة للتوسع الحراري". - لكن في ذلك الوقت كان [العلماء] محدودين بتكنولوجيا صنع الأشياء. وهنا رأينا فرصة عظيمة للإنتاج الصغير يوضح هذا المفهوم ".طور مختبر فانغ تقنية طباعة ثلاثية الأبعاد تسمى الطباعة المجسمة الدقيقة ، والتي تستخدم الضوء لطباعة الهياكل الصغيرة جدًا في الراتنج السائل.يقول Spadachchini ، مدير مركز تطوير وإنتاج المواد: "يمكننا الآن استخدام نظام التصوير المجسم الدقيق لإنشاء مواد ميتاميكانيكية حرارية تجعل المستحيل مستحيلًا في وقت سابق". "لديهم خصائص ميكانيكية حرارية لا يمكن الوصول إليها بالنسبة للمواد العادية."يقول فانغ: "يمكننا عمل طابعة نافثة للحبر لطباعة وعلاج المكونات المختلفة بنفس الطريقة".مستوحاة من المنصة النظرية ، طبع فانغ وزملاؤه هياكل صغيرة ثلاثية الأبعاد على شكل نجمة من العارضتين المترابطتين. كل واحد منهم مصنوع إما من مادة صلبة ومتنامية ببطء تحتوي على النحاس ، أو من بوليمر مرن سريع التوسع. العارضة الداخلية مرنة ، والأخرى خارجية صلبة.يقول فانغ: "من خلال وضع مكونات الشبكة بشكل صحيح ، سنضمن أنه حتى مع كل امتداد للعارضة ، فإنهم يسحبون الشبكة بالكامل إلى الداخل".يقول وانغ: "نحن نعمل مع تعويض درجة الحرارة". "هذه المواد لها معاملات مختلفة للتمدد الحراري ، لذلك مع زيادة درجة الحرارة تتفاعل مع بعضها البعض وتسحب إلى الداخل ، بحيث ينخفض الحجم الكلي للهيكل".مساحة للتجريب
اختبر الباحثون هياكلها المركبة عن طريق وضعها في قارورة زجاجية ورفع درجة حرارتها ببطء ، من درجة حرارة الغرفة إلى 282 درجة. وجد أنه في البداية يحتفظ الهيكل بشكله ، ثم ينحني تدريجياً إلى الداخل وينكمش.يقول فانغ: "يتقلص بنسبة 0.6٪". لا يبدو هذا إنجازًا كبيرًا ، لكن فانغ يضيف أن "حقيقة الضغط نفسها مثيرة للإعجاب". بالنسبة لمعظم التطبيقات العملية ، وفقًا لـ Fang ، يفضل المصممون الهياكل التي لا تتوسع ببساطة عند تسخينها.بالإضافة إلى تجاربهم ، ابتكر الباحثون نموذجًا حاسوبيًا لحساب تفاعل العارضتين المتصالبتين ، والمسافة بينهما ودرجة التوسع. يتم التحكم في ضغط الهيكل من خلال معلمتين رئيسيتين - حجم العارضتين المتصالبتين وتيبسهما النسبي ، المرتبطين مباشرة بمعدل التمدد الحراري.يقول فانغ: "لقد طورنا طريقة الضبط من خلال ترتيب المكونات الفردية في طراز الكمبيوتر مع صلابة وسرعة توسع مختلفة ، ويمكننا جعل العارضة أو جزء معين من الهيكل ينحرف أو يتوسع حسب حاجتنا". "هناك مجال للتجريب مع مواد أخرى ، مثل الأنابيب النانوية الكربونية ، وهي أخف وأقوى." "يمكن تحقيق نتائج مثيرة للاهتمام من خلال التجربة في المختبرات ذات الهياكل المختلفة."Source: https://habr.com/ru/post/ar398571/
All Articles