Пермские ученые изучили температурные изменения свойств необычных материалов — ауксетиков

Во многих отраслях промышленности, в том числе автомобильной, аэрокосмической, строительной, биомедицинской все чаще применяют ауксетики. Благодаря своей уникальной структуре они нетипично реагируют на внешние воздействия. Например, если надавить на пластилин, он расплющивается, то есть растягивается горизонтально, а в случае с ауксетиками наоборот: при вертикальном нагружении они сжимаются, то есть становятся тоньше, сужаясь по сторонам.

Такое поведение делает их очень интересными и полезными материалами для решения многих актуальных проблем, в частности, для создания адаптивных протезов, способных «расти» и изменяться вместе с пациентом, проектирования стентов коронарных сосудов, ортопедических имплантатов, которые могут адаптироваться под индивидуальные особенности пациентов.

Особые свойства ауксетиков достигаются благодаря тому, что они состоят из специально спроектированных ячеек, которые образуют решетчатую структуру, похожую на пчелиные соты. Для каждого конкретного применения подбирают индивидуальную комбинацию такой решетки, что делает эти материалы универсальными. При расширении или сжатии структуры ячейки перемещаются, тем самым изменяя размер всей конструкции.

Ячейки ауксетиков могут состоять из чего угодно — металла, полимера, пластика. Однако у каждого из этих материалов есть свой коэффициент термического расширения – способность увеличиваться или уменьшаться в результате нагрева или охлаждения. Чтобы успешно применять такие конструкции в производстве, нужна подробная информация о том, как этот коэффициент влияет на изменение всей ячеистой структуры.

Ученые Пермского Политеха выявили зависимость поведения ауксетиков от коэффициента термического расширения. Для отслеживания свойств такого материала создали компьютерную модель его ячеек, объединенных в цилиндр, и повернутых перпендикулярно оси. Такая форма размещения наименее изучена на сегодняшний день и даст расширенное представление о поведении структуры в нетипичном положении. В программу вбивали разные показатели коэффициента и смотрели, как менялись свойства ауксетиков при повышенной температуре и двух вариантах механической нагрузки: при давлении изнутри и снаружи.

– В результате исследования мы изучили, как ауксетики ведут себя под нагрузкой в зависимости от температуры. Мы выяснили, что ауксетичные цилиндры, изготовленные из материалов с более низким коэффициентом термического расширения, при воздействии внешнего давления и температуры будут сжиматься, а с более высоким – расширяться. Благодаря этому мы видим, как одна и та же структура принципиально меняет свое поведение – от сжатия к расширению, в зависимости от материалов из которых она изготовлена, – комментирует Анастасия Тарасова, аспирант, младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ.  

– Результаты исследований способствуют созданию умных материалов, которые могут подстраиваться к внешним условиям, улучшая эффективность и долговечность изделий. Ауксетики могут быть использованы для компенсации температурных деформаций и снижения термических напряжений. Подобная адаптивность к температурным воздействиям востребована, например, в аэрокосмических, строительных и медицинских приложениях, – комментирует Михаил Ташкинов, доцент кафедры «Динамика и прочность машин», заведующий научно-исследовательской лабораторией «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ.

Такие структуры помогают уменьшить изменения формы и размера материалов при сильных колебаниях температуры. Это особенно важно, в том числе, и для обеспечения целостности и функциональности космических кораблей, которые подвержены экстремальным перепадам температурам.  

Исследование ученых ПНИПУ пополняет базу данных о термомеханическом поведении ауксетичных структур, чтобы использовать их в качестве перспективных материалов для инженерных применений, где нужно контролировать реакцию на разные факторы, особенно в конструкциях, подверженных экстремальным механическим и термическим воздействиям.

Статья опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ. Механика». Исследование проведено в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

ПНИПУ

1013 статей

Пермский национальный исследовательский политехнический университет (национальный исследовательский, прошлые названия: Пермский политехнический институт, Пермский государственный технический университет) — технический ВУЗ Российской Федерации. Основан в 1960 году как Пермский политехнический институт (ППИ), в результате объединения Пермского горного института (организованного в 1953 году) с Вечерним машиностроительным институтом. В 1992 году ППИ в числе первых политехнических вузов России получил статус технического университета.

Показать больше