3Dプリントを用いた軽量・衝撃吸収・形状記憶メタマテリアル開発

使用 3D 打印开发轻质、减震、形状记忆超材料

基本信息

批准号：
22KJ2067
负责人：
鐘ヶ江壮介
金额：
$ 1.41万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2023
资助国家：
日本
起止时间：
2023-03-08 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

材料の物性は，原子配列と原子を取り巻く電子の状態に由来する．原子や電子の振る舞いを模倣したメタマテリアルの創製によって，希少元素の特性を安価な元素に持たせることが期待される．これまでの研究で，原子の振る舞いを模倣した格子構造制御による機能化の試みとして，原子配列を模倣したメタマテリアルの新しい設計・創製の指針を示した．本研究では，結晶性材料の相転移を模擬した構造転移を発現するセル格子多孔体(PXCM)の設計手法を確立し，PXCMを3Ｄプリントにより造形し，その構造転移挙動の評価と設計手法の検証と改良を目的とする．PXCMに面心立方構造を組み合わせ多方向に構造転移できるよう設計したMulti-Axis PXCM (MA-PXCM)について，変形挙動の異方性を有限要素法を用いて解析した．周期境界条件を設けた単位格子モデルに対して種々のひずみを加えるシミュレーションを行い変形挙動の異方性を確認した．これまでの境界条件では，周期性の異方性を反映できないことがわかった．このため，構造自体の方向を回転し，歪みを与える有限要素モデルを作成した．現在，このモデルについて大変形を加味したシミュレーションを実行している．マルテンサイト変態や双晶変形の素過程であるせん断による原子配列変化に注目したPXCMとしてMartensitic PXCM（MPXCM）を設計した．MPXCMのせん断変形に伴う弾性ひずみエネルギー変化を解析し，MPXCMの設計条件を求め，設計したMPXCMを3Dプリンタし，設計指針の妥当性を検証した．MPXCMにおいてせん断変形時に生じる弾性ひずみエネルギー変化を梁の伸縮によるものと弾性ヒンジの曲げによるものに分けて計算することで，MPXCMが双安定となる条件を定式化することができた．また，MPXCMを熱可塑性ポリウレタンで3Dプリントし，求めた条件が妥当であることを確認した．

材料的物理特性来自原子原子周围的电子状态。通过创建模仿原子和电子行为的超材料，可以预期廉价的元素将提供罕见元素的特性。先前的研究为模拟原子布置的设计和创建提供了指南，试图通过晶格结构控制来使它们功能化，从而模仿了原子的行为。在这项研究中，我们建立了一种针对细胞晶格多孔体（PXCM）的设计方法，该方法表现出结构过渡，以模拟结晶材料的相变，旨在使用3D打印创建PXCM，并评估其结构过渡行为，验证和改进设计方法。使用有限元元素方法分析了多轴PXCM（MA-PXCM）的变形行为的各向异性，该方法旨在允许以面部中心的立方结构在多个方向上进行结构转移。我们进行了模拟，其中将各种菌株应用于具有周期性边界条件的单位细胞模型，并确认了变形行为的各向异性。已经发现，在先前的边界条件下，周期性各向异性不能反映。因此，我们创建了一个有限元模型，该模型旋转结构本身的方向以赋予失真。目前，我们正在为此模型运行具有较大变形的模拟。 Martensitic PXCM（MPXCM）被设计为PXCM，侧重于由于剪切而引起的原子布置的变化，这是马氏体转化和双变形的基本过程。分析了由MPXCM的剪切变形引起的弹性应变能的变化，并确定了MPXCM的设计条件，并使用3D打印了设计的MPXCM，以验证设计指南的有效性。通过计算MPXCM剪切变形期间发生的弹性应变能的变化，分为由于束伸展和收缩而发生的弹性应变能，以及由于弹性铰链弯曲而发生的弹性应变能，我们能够表达MPXCM可动的条件。此外，用热塑性聚氨酯打印MPXCM 3D以确认所获得的条件是有效的。