CAREER: Engineering Designer Composite Materials -- Magnetically Controlling Filler Alignment of Oblate Spheroids in Novel Thermoset Metamaterials

职业:复合材料工程设计师——磁力控制新型热固性超材料中扁球体的填料排列

基本信息

  • 批准号:
    1652958
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 54.85万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2017
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2017-04-01 至 2018-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

CBET - 1652958PI: Walker, Travis W.The goal of this CAREER award is to develop an integrated program of education and research focused on the creation of novel metamaterials, which are advanced composite materials that exhibit properties not usually found in naturally occurring materials. Metamaterials are often created by adding filler particles to a substrate, such as a polymeric material. If the size, shape, and orientation of the filler particles can be precisely controlled, then macroscopic properties of the material such as its strength or stiffness, can be tailored in novel ways. This project will use magnetic fields to control filler particles, such as magnetic microdisks that have been used in preliminary experiments. The project will develop theoretical models to help identify novel strategies for engineering composite materials. The experiments and theory will test the hypothesis that metamaterials can be designed on the sub-micron length scale by controlling the alignment time of submicron filler particles and the solidification of the composite. Results from the project could help advance additive manufacturing by finding ways to vary properties spatially through a composite material. The project will include development of new modules and hands-on activities for K-12 and college participants in a new course titled, "Exploring the Magic of Physics via Hands-on Service Learning." Furthermore, the research team will leverage the use of 3D printing capabilities in their laboratory to develop workshops on 3D modeling and printing for high-school students and teachers.Composite metamaterials will be fabricated by aligning two-dimensional magnetic particles, i.e., disks, in Newtonian fluids while controlling the center of mass distribution of the particles. The size, shape, orientation, buoyancy, susceptibility, and concentration of the particles are each expected to influence alignment dynamics and the formation of disruptions, such as the particle chaining, which could lead to unwanted heterogeneity in the material. The experiments will involve the use of new kind of magnetic tweezer apparatus for investigating alignment using a rotating magnetic field. Two-particle interactions under various magnetic field conditions will be examined. Then, the rheological properties of colloidal suspensions will be measured to determine influences of particle shape and orientation. Strategies will be identified for magnetically aligning filler particles while preventing chain formation. Then, an apparatus will be developed to systematically analyze control parameters during alignment and polymerization of bulk anisotropic composites. Continuum-based theoretical descriptions for particle motions in viscous fluids in the presence of body forces will help interpret experimental data, provide insight into the design of filler particles, and guide precision engineering of advanced composites. Nanocomposites with precisely aligned fillers will offer new opportunities for innovation in creating advanced biomaterial, optical, electromagnetic, and membrane technologies.
CBET - 1652958PI:Walker、Travis W。该职业奖的目标是开发一个综合教育和研究计划,重点关注新型超材料的创建,这些材料是先进的复合材料,具有天然材料中通常不具备的特性。 超材料通常是通过将填充颗粒添加到基材(例如聚合物材料)中来创建的。 如果可以精确控制填料颗粒的尺寸、形状和方向,则可以以新颖的方式定制材料的宏观性能,例如强度或刚度。 该项目将利用磁场来控制填充颗粒,例如已在初步实验中使用的磁性微盘。该项目将开发理论模型,以帮助确定工程复合材料的新策略。实验和理论将检验这样的假设:通过控制亚微米填料颗粒的排列时间和复合材料的凝固,可以在亚微米长度尺度上设计超材料。 该项目的结果可以通过寻找通过复合材料在空间上改变特性的方法来帮助推进增材制造。 该项目将包括为 K-12 和大学参与者开发新模块和实践活动,名为“通过实践服务学习探索物理的魔力”。此外,研究团队将利用其实验室的 3D 打印功能,为高中生和教师举办 3D 建模和打印研讨会。复合超材料将通过排列二维磁性粒子(即磁盘)来制造。牛顿流体同时控制粒子的质心分布。颗粒的尺寸、形状、方向、浮力、磁化率和浓度均预计会影响排列动力学和破坏的形成,例如颗粒链,这可能导致材料中出现不需要的异质性。 实验将涉及使用新型磁性镊子装置来研究使用旋转磁场的对准。 将检查不同磁场条件下两个粒子的相互作用。 然后,将测量胶体悬浮液的流变特性以确定颗粒形状和方向的影响。 将确定磁性排列填料颗粒同时防止链形成的策略。 然后,将开发一种装置来系统地分析块体各向异性复合材料的排列和聚合过程中的控制参数。 在存在体积力的情况下,对粘性流体中颗粒运动的基于连续体的理论描述将有助于解释实验数据,提供对填料颗粒设计的深入了解,并指导先进复合材料的精密工程。 具有精确排列的填料的纳米复合材料将为创造先进的生物材料、光学、电磁和膜技术提供新的创新机会。

项目成果

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  • 通讯作者:
    Travis Walker

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