Химики Самарского политеха разработали метод проектирования структур с оптимальным соотношением прочности к плотности

Научная команда Самарского государственного технического университета разработала метод построения фактически неограниченного числа макроскопических упорядоченных пористых структур на основе трех-периодических поверхностей, разбивающих пространство на две системы непересекающихся пор. Среди прочего метод позволяет создавать легкие, но прочные 3D-печатные структуры.

Математическая задача построения в общем виде пока не решена, но ученые Самарского политеха научилась создавать такие поверхности на основе топологического анализа атомных сеток природных кристаллов. Исследователи получили более двухсот разновидностей пористых структур, изучили их механические свойства и определили самые перспективные, сообщает пресс-служба Самарского политеха на портале «Научная Россия».

«Мы подсмотрели идеальные трех-периодические структуры у природы. Некоторые кристаллы, например цеолиты, обладают атомными сетками с явно выраженными порами. Топологический анализ этих сеток позволяет выделить из них трижды периодические, в том числе минимальные поверхности. Изготовляя саму поверхность конечной толщины из одного материала и заполняя непересекающиеся поры веществами с другими характеристиками, получаем композитные структуры с разнообразными функциональными свойствами. Кроме того, за счет разветвленной структуры они обладают большой площадью поверхности», — рассказал заместитель директора Международного научно-исследовательского центра по теоретическому материаловедению СамГТУ по научной работе Александр Крутов.

«Компьютерное моделирование показало, что эти структуры обладают широким диапазоном значений упругости и выраженной анизотропией: их механические свойства существенно зависят от направления нагрузки. Это открывает широкие возможности для применения подобных структур в различных инженерных решениях. Наиболее перспективные модели были изготовлены из ПЛА-пластика методом 3D-печати», — рассказал младший научный сотрудник Международного научно-исследовательского центра по теоретическому материаловедению СамГТУ Михаил Смольков. 

Ученые провели серию экспериментов, один из них — совместно со специалистами кафедры производства строительных материалов, изделий и конструкций. Пористую модель заполняли цементом и подвергали различным нагрузкам. Армированный пластиком материал продемонстрировал высокую прочность. 

«Эксперименты по изучению полученных пористых структур, а также результаты численного моделирования выявили интересный эффект: некоторые пористые структуры имеют прочность на сжатие выше, чем у сплошного материала, из которого они сделаны. Эффект упрочнения обусловлен исключительно их геометрией и топологическими свойствами», — рассказал инженер Международного научно-исследовательского центра по теоретическому материаловедению СамГТУ Михаил Фролов.

А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru.