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．

材料的物理性质源自原子排列和原子周围电子的状态。模仿原子和电子行为的超材料的创造有望赋予廉价元素稀有元素的特性。在我们之前的研究中，我们为模仿原子排列的超材料的新设计和创建提供了指导，试图通过控制模仿原子行为的晶格结构来使其功能化。在这项研究中，我们建立了一种蜂窝晶格多孔材料（PXCM）的设计方法，该方法表现出模拟晶体材料相变的结构转变，通过3D打印对PXCM进行建模，评估其结构转变行为，并开发了一种设计方法目的是验证和改进。利用有限元方法分析了多轴 PXCM（MA-PXCM）变形行为的各向异性，该多轴 PXCM 旨在通过将 PXCM 与面心立方结构相结合来实现多个方向的结构转变。我们进行了模拟，其中将各种应变应用于具有周期性边界条件的晶胞模型，并证实了变形行为的各向异性。研究发现，常规边界条件无法反映周期性各向异性。为此，我们创建了一个有限元模型，该模型可以旋转结构本身的方向并应用变形。我们目前正在对该模型进行模拟，其中考虑了大变形。我们将马氏体 PXCM (MPXCM) 设计为专注于剪切导致的原子排列变化的 PXCM，这是马氏体转变和孪生的基本过程。我们分析了 MPXCM 剪切变形引起的弹性应变能的变化，确定了 MPXCM 的设计条件，3D 打印了设计的 MPXCM，并验证了设计指南的有效性。通过计算 MPXCM 剪切变形过程中发生的弹性应变能变化，将其分为由于梁的膨胀和收缩以及由于弹性铰链的弯曲而引起的弹性应变能变化，我们能够制定 MPXCM 的条件双稳态。我们还使用热塑性聚氨酯 3D 打印 MPXCM，并确认我们发现的条件是合适的。