3D打印结构在加热时会收缩
违反直觉的超材料可能导致产生耐热电子电路
从橡胶和玻璃到花岗岩和钢，几乎所有固体材料在加热时都会膨胀。仅在极少数情况下，某些材料会与系统发生碰撞并在加热时收缩。例如，如果冷水在开始膨胀之前从0摄氏度加热到4摄氏度，则会被压缩。麻省理工学院和南加州大学的工程师为该课程增加了新的内容。麻省理工学院机械工程副教授尼古拉斯·X·方（Nicholas X.Fang）领导的团队创造了由连接的梁或桁架组成的星形结构。这些糖块大小的结构在加热到282摄氏度时会迅速收缩。农场由常规材料制成，加热后会膨胀。方和他的同事意识到，如果以一种特殊的方式将它们组合在一起，他们将能够向内拉动结构，迫使其像Goberman球形玩具一样收缩。研究人员认为，他们的创造属于“超材料”-复合材料，其构造具有奇怪的，常常违反直觉的特性，通常在自然界中找不到。在某些情况下，压缩这些结构本身可能没有用，但压缩时抵抗加热时的膨胀是没有用的。这样的材料可以用于例如在长时间加热下变形的计算机芯片的制造中。Fang说：“当CPU运行时，印刷电路板可能会变热，并且发热会影响其性能。” “因此，（在设计时）有必要仔细考虑此属性。”印刷原料
在90年代中期，科学家提出了理论上可能的结构，其结构可以赋予它们“负热膨胀”（NTE）的性质。为此，必须创建两种材料在加热时具有不同膨胀系数的三维晶格结构。当整个结构被加热时，一种材料应更快地膨胀，而另一种则向内拉伸，其结果是结构的整体尺寸将减小。方说：“理论研究已经讨论了这种结构如何违反热膨胀的通常限制。” -但是那时[科学家]受制于创造事物的技术。在这里，我们看到了微型生产证明这一概念的绝佳机会。”方的实验室开发了一种称为微立体光刻的3D打印技术，该技术使用光在液态树脂中分层印刷非常小的结构。材料开发和生产中心主任Spadachchini说：“现在，我们可以使用微立体光刻系统来创建热机械超材料，这将使不可能的事情提早实现。” “它们具有热机械性能，这是普通材料无法达到的。”“我们可以使喷墨打印机以相同的方式打印和固化不同的成分，” Fang说。受理论平台的启发，Fang及其同事从相互连接的横杆上打印出了小型的三维星形结构。它们中的每一个都由包含铜的固态且缓慢膨胀的材料制成，或者由弹性，快速膨胀的聚合物制成。内部横杆是有弹性的，外部横杆是实心的。Fang说：“通过正确放置网格的组件，我们将确保横杆的每个扩展都可以将整个网格向内拉。”Wang说：“我们正在努力解决温度偏移问题。” “这些材料具有不同的热膨胀系数，因此随着温度的升高，它们彼此相互作用并向内拉，从而使结构的总体积减小。”实验空间
研究人员通过将其放置在玻璃烧瓶中并缓慢将其温度从室温升高到282度来测试其复合结构。已经发现，结构首先保持其形状，然后逐渐向内弯曲并收缩。“缩小幅度为0.6％，” Fang说。这似乎并不是一个很大的成就，但Fang补充说，“压缩本身的事实令人印象深刻”。根据Fang的说法，对于大多数实际应用，设计人员更喜欢加热时不会膨胀的结构。除了实验之外，研究人员还创建了一个计算机模型来计算连接的横杆的相互作用，横杆之间的距离和扩展程度。结构的压缩受两个主要参数控制-单个横杆的尺寸及其相对刚度，与热膨胀率直接相关。“我们通过在计算机模型中安排具有不同刚度和扩展速度的各个组件来开发一种调整方法，并且可以根据需要使特定的横杆或结构的一部分偏离或扩展，” Fang说。“还有其他的实验空间，例如更轻更结实的碳纳米管。” “有趣的结果可以通过在具有不同结构的实验室中进行实验来实现。”Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN398571/
All Articles