普渡大学研究人员为工业应用开发了一种新型智能架构材料

普渡大学的土木工程师正在测试用于运输、军事和其他实际应用的材料

印第安纳州西拉斐特 – 普渡大学土木工程研究人员开发了正在申请专利的智能建筑材料，可以耗散由弯曲，压缩，扭矩和拉伸应力引起的能量，避免永久性塑性变形或损坏，并且还可以表现出形状记忆特性，使其具有驱动能力。

避免损坏使材料可重复使用，并提高多个工业部门产品的人体安全性和结构耐久性。

Jerry M.和Lynda T. Engelhardt土木工程教授Pablo Zavattieri领导的研究团队开发了这种新型智能建筑材料。

“这些材料是为完全可回收，耗能的结构而设计的，类似于所谓的架构形状记忆材料，或相变细胞材料，称为PXCM，”Zavattieri说。“它们还可以表现出对外力，温度变化和其他外部刺激的智能反应。

诸如此类的智能架构材料由于其独特的性能而具有广泛的潜在应用。

Zavattieri说：“这些材料可以从一种稳定的配置变为另一种稳定的配置，使它们在各种应用中具有多功能性和价值，包括地震工程，抗冲击结构，生物医学设备，体育用品，建筑结构和汽车部件。

多功能性和可扩展性

几乎任何材料，包括聚合物、橡胶、混凝土等，都可以用来制造普渡大学智能建筑材料，只要它们被设计为保持弹性状态。

“虽然更脆的材料确实会带来更大的设计挑战，但请考虑一下：我的一个博士生成功地使用混凝土制作了一个单单元单元，这种材料以其张力脆性而闻名，”Zavattieri说。创造这些智能材料的关键在于有效的设计，使材料选择非常通用。

Zavattieri和他的团队也证明了材料的可扩展性。

“我们已经生产了大至12英寸的智能建筑材料，非常适合建筑和桥梁建设等应用，以吸收和利用能源，”Zavattieri说。“相反，我们创造了晶胞小于人类头发厚度的材料。这种可扩展性开辟了一个从宏观到微观应用程序的可能性世界。

传统轻质蜂窝材料的缺点

多孔或泡沫材料的特点是多孔微观结构或相互连接的梁、柱或桁架状结构，具有形成晶格或蜂窝排列的固体空间和空隙。在自然界中发现的例子包括骨头、软木、泡沫、蜂窝、海绵和木材。

Zavattieri说：“制造商已经应用蜂窝结构的概念在航空航天工业中创造轻质晶格结构，增强汽车行业的碰撞能量吸收，并为运输行业的精密物品设计保护性包装。

他说，这些材料中的大多数都具有单一的稳定配置。

“由于施加的载荷而导致的蜂窝几何形状的变化通常会受到防止永久变形的愿望或不可能恢复到原始稳定配置的事实的限制，”Zavattieri说。“对具有更稳定配置的材料结构的需求尚未得到满足。

Zavattieri说，普渡大学开发的新型智能建筑材料重新定义了细胞材料的概念。

“我们已经设计了其内部构建块的拓扑结构，这些构建块由梁，柱，桁架和其他元素组成，”他说。“它们能够以高度受控和可编程的方式弯曲、扭曲、弯曲和变形。这些精确定制的变形产生了涌现特性，例如增强的能量吸收、增加的工作能力、变形能力和适应性。这些特性为各种应用开辟了创新的可能性。

Zavattieri和他的同事应用了圆柱形壳的柔顺性来制造材料。

“能量通过卡通机制耗散，从而避免塑性变形，”他说。“利用仿真来确定晶胞设计参数和变形模式之间的关系，并将这些知识用于制造原型样品以进行验证。结果表明，可以通过改变韧带长度和倾斜角度来优化能量耗散和峰值负载能力。

Zavattieri的研究已发表在同行评审期刊《工程结构》、《极限力学快报》、《科学报告》、《应用力学杂志》、《物质》、《国际固体与结构杂志》和《工程结构》上。他的研究得到了通用汽车，ITAMCO（印第安纳州技术和制造公司），国家科学基金会和美国空军的资助。

飞机跑道垫应用

Zavattieri和ITAMCO之间的合作使用金属3D打印材料开发用于临时或远征飞行操作的新飞机跑道垫。

轻质3D打印面板由碳纤维增强金属复合材料组成，使其具有高刚度，同时保持轻质。该面板系统是传统AM-2面板的替代品，具有更长的使用寿命和机械性能。该技术的应用包括快速部署用于国防、公共卫生和自然灾害响应的结构或跑道。

Zavattieri和他的团队通过现场测试验证了轻质3D打印面板。

“研究的目的是开发一种强大的片材或卷材技术，作为AM-2垫子的替代品，”Zavattieri说。“自越南战争以来，AM-2消光一直为美国军方提供良好的服务，但ITAMCO领导的研究项目中的材料和技术将比AM-2消光提供许多好处。

Zavattieri说，便携式和轻型机场垫必须易于安装和存放，但能够承受反复飞机起飞和降落的压力。

“用PXCM几何形状制成的产品能够从一种稳定配置更改为另一种稳定或亚稳态配置，然后再返回，”Zavattieri说。“这意味着新的跑道垫可能会自我修复，从而比用AM-2垫子制成的跑道寿命更长。另一个好处是跑道上的碎片不会妨碍跑道的性能。

“在测试中，这些垫子能够在60天内承受超过5,000次着陆和起飞循环，同时没有显示出故障迹象。目前的传统跑道垫在大约 1,500 个周期内失效。这种耐用性意味着更少的垫子更换，这需要更少的财政资源。

非充气轮胎应用

Zavattieri说，美国陆军已经确定迫切需要开发和部署非充气轮胎，或者没有气压支持的轮胎。因此，非充气轮胎不易刺穿或泄漏。

Zavattieri和他的研究团队开发了一种基于计算机的模型，支持在轮胎和轮辋协会标准规定的非充气轮胎设计中使用普渡相转换细胞材料。他说，通过建模和仿真，结果表明PXCM作为非充气轮胎（NPTs）设计的动态，弹性可变形解决方案的可行性。

“这项工作表明，PXCM可以在铺砌的表面上提供良好的性能，并提供对越野环境的良好适应性，”Zavatteri说。“对于感兴趣的军用车辆，轮胎旨在减轻不同大小的障碍物，负载条件和通常在战区遇到的可变地形，如沙子，泥土，砾石和雪。设计建模和仿真表明，基于PXCM的非充气轮胎能够满足不同负载条件下公路和非公路应用的性能要求，并且可以抵抗由于弹道/爆炸威胁或道路碎片造成的材料损失而导致的高达20%的机动性损失。模型结果表明，基于PXCM的NPT有可能扩展车辆能力并增加任务完成的可能性，尽管存在持续损坏。

Zavatteri向普渡大学创新技术商业化办公室披露了细胞材料及其应用，该办公室已申请专利以保护知识产权。有兴趣将材料商业化的行业合作伙伴应联系物理科学业务发展和许可助理总监Dipak Narula，[email protected] 关于2018-ZAVA-68252,2019-ZAVA-68691,2020-ZAVA-69072和2022-ZAVA-69900。

关于普渡大学

普渡大学是一所规模卓越的公共研究机构。普渡大学跻身美国前 10 名公立大学之列，有两所学院进入美国前 4 名，以首屈一指的质量和规模发现和传播知识。超过 105,000 名学生在普渡大学学习，其中 50,000 名学生在西拉斐特校区亲自学习。致力于负担能力和可及性，普渡大学的主校区已连续 12 年冻结学费。了解普渡大学如何永不停止对下一个巨大飞跃的不懈追求，包括其在印第安纳波利斯的第一个综合城市校园、新的米切尔 E. 丹尼尔斯商学院和 https://www.purdue.edu/president/strategic-initiatives 的普渡计算。

关于普渡创新技术商业化办公室 

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源： 巴勃罗·扎瓦蒂里，[email protected]