吸声材料

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(A)用于修复骨缺损的人工生物医学支架示企图


更新时间:2022-08-22   浏览次数:

团队提出基于板格布局超材料设想新型骨支架,这类支架具有的平面压力形态不只提拔了力学机能,无效处理了保守桁架布局骨支架中遍及存正在的应力集中问题。模仿取尝试成果表白,本研究提出的板格超材料骨支架具有取人骨相婚配的力学取传质机能,通过各向同性特征对板格超材料骨支架的力学取传质机能的调控范畴别离高40%和45%。上述发觉为新型骨支架的设想取普遍使用供给主要参考(Acta Biomater., 2022, 148: 374-388)。

团队提出了一种仿照晶体布局各向同性超材料设想策略,通过建立具有分歧的晶面(取向:[001]、[110]和[111])和晶向(扭转度:15°/Step)的晶格超材料,实现了弹性响应和质量传输机能的调控。成果显示,力学机能和传质机能的耦合关系削弱,对晶格超材料晶面和取向标的目的具无方向依赖性(Compos. Part B, 2022, 236, 109837)。

正在尝试和数值模仿的指点下,具有圆形支柱的超材料正在Re=7000–30000时具有最高的努塞尔数、最低的压降和摩擦系数,表示出更高的散热指数;正在0.92孔隙率下,热效率系数跨越1,表示出较强的隔热能力。此外,具有圆形支柱的仿生多面体布局的比能量接收超越保守点阵布局,正在燃气轮机和冷却布局上有着主要使用前景(Adv. Mater. Technol. 2022, 2200076)。

操纵五模超材料建立骨支架来均衡孔隙率、力学取传质等多项机能。取保守金属生物材料比拟,五模超材料生物超材料骨支架具有分级的孔隙分布、合适的强度等特点,显著提高了细胞接种效率、渗入性和耐冲击能力,推进了体内成骨,正在细胞增殖和骨再生方面有着广漠的使用前景(Acta Biomater., 2020, 112, 298-315;Bioact. Mater., 2022, in press)。

图6 仿晶格超材料生物多孔支架设想示企图。(A)用于修复骨缺损的人工生物医学支架示企图,此中需要同时优化力学和传质机能;(B)慎密形式陈列的金刚石原子架构;SLM制制(C)Al-Cu-Mg和(D)Ti/Al-Cu-Mg样品侧面的EBSD(电子背散射衍射)取向图;(E)受金刚石原子,具有几何可设想性的金刚石微晶格;(F)柱状金刚石微晶格;(G)等轴金刚石微晶格

(B)柚皮的形态;图4 受柚皮图形的多面体晶格布局的形态演变:(A)天然界中的柚子;(D)具有各类横截面外形的设想支柱(C)受柚皮图形的多面体单位;

五模超材料是由周期性单胞构成的复杂布局,具有水或流体等无效物质,可无效调控水下声波的传输径。团队研究了模仿流体的布局设想、五模超材料的形态特征、无限元法预测的应力分布、力学机能和变形机理;提出了一种两步优化策略设想五模超材料,成立了水下声波频散设想方式,研究正在中船沉工实现了道理验证(Engineering, 2020, 6, 56-67; Compos. Struct., 2019, 226, 111199)。

孔隙率、模量、骨组织再生、应力屏障是骨支架设想中沉点考虑的束缚前提,团队提出了一种双锥支柱设想策略,削减类金刚石多孔金属生物材料的应力屏障,同时连结不变的孔隙率。设想的生物超材料骨支架的弹性模量和强度,取保守金刚石晶格比拟别离低41.46%和46.42%,有益于骨支架力学机能取宿从骨婚配,避免了应力屏障(Int. J. Mech. Sci., 2021, 197, 106331)。

以功能为导向的布局设想,具有成本效益高、省时等长处,具有较大的成长潜力。通过为给定单位和给定区域构制鸿沟前提取优化方针,可拓扑设想出新型功能布局。团队提出了通过平均化应变拓扑设想最大体模量力学微布局方式,并操纵激光熔化(SLM)成功制备。通过准静态压缩试验,研究了拓扑优化超材料的力学机能和能量接收能力。

保守布局设想大多面向力学机能优化,正在力学机能的同时实现轻量化。跟着高端制制业的成长,构件面对极端服役,具有复杂化、全体化和多功能属性。逐步成长起来。超材料布局往往极端复杂,具有宏微不雅跨标准特点,保守制制手艺难以实现,增材制制手艺正在制制这类复杂布局方面具有显著劣势。

华中科技大学史玉升传授团队近年来正在Materials Today, Bioactive Materials, Acta Materialia, Engineering, Applied Materials Today等期刊上颁发系列文章,成长了多场耦合的超材料布局设想方式,成立了仿生设想、无限元仿实、布局计较、尝试验证取机能预测等模子,冲破了多机能耦合设想束缚,拓展了多机能设想取调控空间,为超材料设想取增材制制手艺正在航空航天、生物医疗等范畴的使用奠基了理论根本。

吸声超材料正在低频噪声接收范畴有着主要意义,保守吸声材料被制备后,其布局也随之固定,无法按照噪声频次变化做出响应接收能力的调整。团队基于声音频次共振消声道理,通过设想迷宫式布局,采用熔融堆积成形FDM 3D订手艺成形了吸声机能可调的低频吸声超材料,按照外接声波频次变化而动态调整布局,实现分歧频次噪声的接收,吸声频次正在298-379 Hz宽频范畴内可调(Chin. J. Mech. Eng.: Addit. Manuf. Front., 2022, 100036)。

图5 海胆棘及其仿生生物超材料支架的拓扑形态:海胆棘的针状外不雅和梯度孔隙的内部布局。(A)光学图像显示了海胆脊椎的天然特征;(B)微不雅计较机断层扫描(CT)图像正在程度视图和纵向视图中显示内部门级孔隙度;(C)SEM图像正在(c1-c2)剖面图中显示了精细的内部形态;(D)植入物内多孔支架示企图;(E)仿生梯度生物五模超材料支架;(F) 取程度视图中的平均支柱比拟,纵向视图和锥形支柱拓扑中梯度密度的几何特征

华中科技大学史玉升传授团队正在材料类期刊Materials Today上系统阐述了力学、声学等各类超材料根基道理和典型使用,引见了典型超材料设想方式取增材制制工艺的研究进展,会商了增材制制多场耦合超材料机能、超材料正在设想方式方面的局限性、增材制制手艺错误谬误以及超材料的成长趋向(Mater. Today, 2021, 50, 303-328)。

受晶体材猜中Hall-Petch关系,团队建立了具有解耦机械和质量传输特征的晶格超材料,以满脚人工骨支架的需要。压缩尝试和传质计较成果表白,纵横比为1和至多4个单位的晶格超材料具有最优的分析机能。该仿晶格布局的立异设想方式为开辟普遍工程使用的多场耦合超材料供给了无限可能(Acta Mater. 2022, in press)。

成果表白,跟着晶格微布局单位数的添加,布局机制从逐层断裂改变为45°倾斜断裂。拓扑优化的晶格布局的相对弹性模量为0.037,优于大大都已报道的晶格布局,设想的晶格布局正在0.15应变下能量接收效率达67.9%(J. Manuf. Process., 2020, 56: 1166–1177)。

轻质高强兼具散热吸能超材料正在航空航天和汽车使用中具有主要意义。团队受柚皮对果肉屏障的,提出了柚皮微布局仿生多面体超材料设想方式,实现了优异的散热和吸能结果。

即便具有先辈的拓扑优化设想手艺,当前的力学超材料机能仍远远掉队于很多生物布局。受中空布局的强韧性竹子,通过SLM成形基于八沉桁架力学超材料。正在数值模仿的指点下,通过表里曲径来实现仿生力学超材料轻量化,正在低密度(1.25 g/cm3)下获得高压缩比强度(87.19 kN•m/kg),且不会正在八沉桁架布局设置装备摆设中得到各向同性(di =0.59 mm,do=1.10 mm)。研究供给了一种仿生设想策略,实现具有各向同性及轻质高强力学的超材料设想取制备(Appl. Mater. Today, 2022, 26, 101268)。

图2 基于晶格的力学超材料灵感来自原子的堆积和竹子的中空特征。(A) 晶格原子的微不雅形态;(B-C)竹子的宏不雅和微不雅形态特征;(D)仿生八沉桁架力学超材料

图3 五模超材料类流体声学机能成果。(A)块体钛合金声场云图;(B)五模超材料声场云图;(C)尝试安拆示企图;(D)总散射界面,定义为各标的目的散射功率取平面波入射功率的比值