Исследователи Университета Джона Хопкинса создали новый амортизирующий материал, который по крепости сравним с металлом, но при этом очень лёгкий. Сделанный из жидкокристаллических эластомеров, этот пеноподобный материал подходит для производства портативных средств защиты (в том числе спортивного и военного назначения) и автомобильных деталей, объединяющих прочность и легкость.
Энергопоглощающие материалы применяют в разных случаях: для виброизоляции, например, в спортивном оборудовании и опорах двигателя, и для защиты от ударов, например, в шлемах или бронежилетах. Большинство существующих материалов рассеивают энергию удара с помощью неупругих механизмов (пластическая деформация, разрушение или фрагментация). В результате кинетическая энергия преобразуется во внутреннюю, но не сохраняется. Поэтому после удара материалы повреждаются и их нельзя использовать повторно (или только несколько раз).
Существуют инженерные материалы, называемые метаматериалами, которые могут удерживать энергию за счет смятия. Материал использует ненапряженный режим деформации для выдерживания большой нагрузки. Эта деформация обратима, что делает эти метаматериалы многоразовыми. Их способность поглощать энергию ограничена, поэтому эффективность при высоких скоростях деформации невелика. Исследователи решили увеличить поглощающую способность путем включения механизма диссипации материала, зависящего от скорости, обратившись к жидкокристаллическим эластомерам (ЖКЭ).
Исключительная энергетическая эффективность.
ЖКЭ — это гибкие жидкокристаллические полимерные сети, которые совмещают упругость эластомера и способность к самоорганизации жидкости кристаллов. В настоящее время их применяют в робототехнике для изготовления искусственных мышц мягких роботов.
Учёные разработали конструкции из элементарных ячеек с наклонными сегментами ЖКЭ, симметрично размещённых между двумя жёсткими горизонтальными опорами. Ячейки повторялись в нескольких слоях — предыдущие модели показывают, что плотность поглощения энергии возрастает при увеличении количества слоёв из-за неравномерного смятия слоев.
Новый материал демонстрирует чрезвычайно высокое поглощение энергии. Тесты сжатия показали, что ячейка на основе ЖКЭ поглощает больше энергии, чем обычная конструкция из эластомера при скоростях деформации выше 1,5 x 10. -3 s-1. В диапазоне эффективных скоростей деформации от 6 × 10-4 s-1 до 6 × 102 s-1Поглощение энергии клеткой возросло более чем в сто раз. Скорость деформации — 600 с. -1 плотность поглощения достигает 5 МДж/м3, что «Сравнимо с рассеиванием при необратимой пластической деформации, возникающей у металлов большей плотности. «, — сообщают исследователи в журнале .
Благодаря инновационному материалу изготавливают защитные шлемы, пуленепробиваемые жилеты, бампера и другие детали для автомобилей или авиации. Он предоставляет защиту от различных ударов и снижает расход топлива, воздействие на окружающую среду благодаря легкости материала. Также он удобен для людей, использующих защитное снаряжение, утверждает Сунг Хун Канг, доцент кафедры машиностроения Университета Джона Хопкинса и соавтор исследования.
В ходе серии экспериментов по проверке способности нового материала противостоять ударам пробы выдержали объекты весом от 1,8 до 6,8 кг, движущиеся со скоростью почти 35 км/ч! Из-за ограничений испытательных машин не удалось протестировать более высокие скорости, но команда все еще уверена, что материал может безопасно поглощать и более сильные удары.
По наблюдениям исследователей, эффективность материала возрастала при увеличении числа слоёв. Неравномерное деформирование различных слоев вызывает дополнительную вязкоупругую потерю энергии. Взаимодействие между вязкоупругой диссипацией и неоднородным смятием повышает плотность поглощения энергии при увеличении числа слоев. Исследователи объясняют это так. Например, четырехслойная структура обладала почти вдвое большей плотностью поглощения энергии по сравнению с однослойной.
При наличии более трех слоев деформация становится более равномерной, что приводит к насыщению плотности поглощения. Для решения этой проблемы ввели пространственную градацию толщины сегментов ЖКЭ; это обеспечило последовательное смятие различных слоев и улучшило плотность поглощения энергии.
Команда рассчитывает, что полученные результаты дополнят фундаментальное понимание механизмов нелинейного поглощения энергии архитектурными структурами ЖКЭ и будут применяться там, где требуется легкое и экстремальное поглощение энергии. Планируется сотрудничество с компанией, производящей шлемы для спортсменов и военных.