Японские ученые из Университета Тохоку в Сендае совместно с китайскими коллегами из Уханьского технологического университета разработали легкую решётчатую структуру, имитирующую строение крыльев бабочек. Полученный материал демонстрирует выдающуюся прочность, высокую ударную вязкость и способность к поглощению энергии, превосходящие характеристики традиционных решётчатых конструкций как при статическом сжатии, так и при динамических ударных нагрузках.
При создании проекта команда повторила структуру жилок крыльев насекомых, разработав решётчатую архитектуру с объёмно-центрированной кубической решёткой, напоминающей форму бабочки. Данное решение позволяет не только снизить напряжение, но и увеличить устойчивость к сильным нагрузкам. Специалисты отметили, что, изучая равномерное распределение напряжений в крыльях бабочек, им удалось создать новую анизотропную решётчатую конструкцию, основанную на бабочкообразной объёмно-центрированной кубической топологии.
Вместо модификации самого материала, что сопряжено со значительными затратами, учёные переориентировались на изменение его структурной организации для управления жёсткостью, прочностью, особенностями деформации и устойчивостью к разрушению. В ходе лабораторных тестов и моделирования методом конечных элементов, новая решётчатая структура продемонстрировала заметное превосходство над традиционными решениями. При квазистатическом сжатии и динамическом нагружении она показала более высокую упругость, увеличенную предельную прочность и улучшенное поглощение энергии.
В процессе исследования статического и динамического механического поведения решётчатых структур применялись экспериментальные и вычислительные методы, а также метод цифровой корреляции изображений для оценки распределения напряжений. Иными словами, структура демонстрировала не только повышенную эффективность при воздействии силы, но и контролировала её распределение внутри себя. В частности, новая решётка обеспечила заметное увеличение модуля упругости, предела прочности и способности к поглощению энергии.
В процессе деформации конструкция эффективно распределяла возникающее напряжение посредством X-образной траектории, схожей с раскрытием крыльев бабочки, что препятствовало локальному разрушению и задерживало критический отказ. Доцент Эрик Цзяньфэн Чэн, работающий в Институте передовых материальных исследований Университета Тохоку, считает эту разработку весьма перспективной и полагает, что она создает возможности для широкого спектра практических применений. По его словам, особенностью этого структурного механизма является то, что большинство лёгких решётчатых материалов не рассчитаны на выдерживание значительных нагрузок, таких как локальное искривление или удар, в то время как представленная конструкция проявляет повышенную устойчивость к внезапным механическим воздействиям.
Команда рассчитывает, что данная высокопрочная конструкция найдёт применение в перспективных летательных аппаратах и будет использована при создании сейсмостойких сооружений, что позволит повысить общий уровень безопасности. В авиационной отрасли использование лёгких материалов, способных эффективно поглощать энергию ударов, имеет решающее значение для повышения безопасности самолётов без увеличения их массы. Такая решётчатая структура может служить для защиты важнейших узлов от механических повреждений или аварийных ситуаций. Кроме того, в сейсмически активных районах, например, в Японии, конструкции должны оперативно поглощать и рассеивать энергию землетрясений. Дизайн, вдохновлённый бабочками, может привести к созданию материалов, способных выдерживать подземные толчки и уменьшать повреждения конструкций. По мнению исследователей, данная разработка выглядит перспективной для использования в аэрокосмической и автомобильной отраслях, а также в системах защиты, где требуются лёгкие и устойчивые к ударам материалы.
Исследование в International Journal of Mechanical Sciences.