فرامواد مکانیکی نوعی از مواد هستند که به گونه ای طراحی و ساخته می شوند که خواص مکانیکی منحصر به فرد و اغلب غیر متعارفی داشته باشند. این مواد معمولاً از الگوهای تکرار شونده زیر واحدهای کوچک مهندسی شده، معروف به سلول‌های واحد، که در یک هندسه خاص چیده شده‌اند، ساخته می‌شوند. با کنترل هندسه و خواص سلول های واحد، متا متریال های مکانیکی می توانند خواصی مانند نسبت پواسون منفی، سفتی شدید، میرایی افزایش یافته و انبساط حرارتی منفی را از خود نشان دهند.

یکی از مزیت های کلیدی متا متریال های مکانیکی توانایی آنها برای نشان دادن خواصی است که در مواد معمولی یافت نمی شود. به عنوان مثال، برخی از متا متریال های مکانیکی را می توان به گونه ای طراحی کرد که هم سختی بالا و هم چگالی کم داشته باشند، که آنها را برای سازه های سبک وزن و کاربردهای هوافضا مفید می کند. سایر متا متریال های مکانیکی را می توان به گونه ای طراحی کرد که تغییر شکل شدید تحت فشار یا کشش را نشان دهد، که می تواند در کاربردهای ضربه گیر یا تجهیزات محافظ مفید باشد.

متا متریال های مکانیکی یک حوزه تحقیقاتی فعال در زمینه علم و مهندسی مواد هستند و تلاش‌های مداوم زیادی برای توسعه انواع جدیدی از متا متریال های مکانیکی با خواص منحصر به فرد و مفید وجود دارد. برخی از کاربردهای بالقوه برای متا متریال های مکانیکی عبارتند از: هوافضا و دفاع، مهندسی زیست پزشکی و مهندسی عمران.

مواد نسبت منفی پواسون (NPR) که به عنوان مواد آکستیک نیز شناخته می شوند، به دلیل رفتار منحصر به فرد خود توجه ها را به خود جلب کرده اند. هنگامی که مواد در امتداد یک محور خاص فشرده می شوند (کشش می شوند) معمولاً مشاهده می شود که در جهت های متعامد نسبت به بار اعمال شده منبسط می شوند. ویژگی که این رفتار را مشخص می کند، نسبت پواسون است که به عنوان نسبت بین کرنش های عرضی و طولی منفی تعریف می شود. اکثر مواد با نسبت پواسون مثبت مشخص می شوند که تقریباً 0.5 برای لاستیک و 0.3 برای شیشه و فولاد است. مواد با نسبت پواسون منفی در هنگام فشرده شدن در جهت عرضی منقبض می شوند . این رفتار غیرعادی منجر به ویژگی منحصر به فردی می شود که ماده می تواند خود را در زیر بار فشاری متمرکز کند تا در برابر بار مقاومت بهتری داشته باشد. علاوه بر این، مواد NPR نیز با افزایش دامنه بار، سفت‌تر و قوی‌تر می‌شوند. مطالعات و آزمایش‌ها نشان داده‌اند که مواد آکستیک می‌توانند خواص مکانیکی از جمله مقاومت برشی، مقاومت در برابر فرورفتگی و چقرمگی شکست را در مقایسه با مواد معمولی که از آن ساخته می‌شوند، بهبود بخشند. این مواد اکستیک همچنین جذب صدا و ارتعاش بسیار خوبی را ارائه می دهند و می توانند کاربردهای بالقوه زیادی در هوا فضا و مناطق دفاعی داشته باشند.

اگرچه مواد NPR اصولاً می توانند وجود داشته باشند، نشان دادن نمونه های عملی نسبتاً جدید است. کشف و توسعه مواد با NPR برای اولین بار توسط Lakes در سال 1987 گزارش شد. رفتار اکستیک با استفاده از یک فوم به دست آمد که مشخصه آن یک ریزساختار ورودی مجدد است که هنگام کشیده شدن باز می شود و باعث انبساط جانبی و نسبت پواسون منفی می شود. به دنبال کار اصلی دریاچه ها، برای دستیابی به نسبت های پواسون منفی ماکروسکوپیک تعدادی از هندسه ها و مکانیسم ها پیشنهاد شده است.

.

یک چالش مهم در ساخت مواد با خواص اکستیک این است که معمولاً شامل تعبیه ساختارهایی با هندسه های پیچیده در یک ماتریس میزبان است. به این ترتیب، فرآیند تولید یک گلوگاه در توسعه عملی به سمت برنامه‌ها بوده است. با این حال، اخیراً نشان دادیم که سوئیچ‌های الگوی ناشی از ناپایداری در ساختارهای الاستومری متخلخل که با یک ریزساختار ساده اولیه مشخص می‌شوند ممکن است منجر به رفتار اکستیک شوند.

علاوه بر این، ما نشان دادیم که شکل سوراخ یک پارامتر مناسب برای کنترل تراکم (که به صورت تغییر سطح مسطح سازه تقسیم بر مساحت اصلی تعیین می‌شود) و نسبت پواسون منفی سازه‌های تناوبی را فراهم می‌کند. نتایج ما نشان می‌دهد که با تغییر شکل سوراخ‌ها، پاسخ ساختار متخلخل را می‌توان به راحتی تنظیم کرد و ساختارهای نرم با تراکم بهینه طراحی کرد. با کمال تعجب، ما نشان می‌دهیم که سوراخ‌های دایره‌ای منجر به پاسخ بهینه نمی‌شوند و تراکم سیستم را می‌توان از طریق طراحی دقیق شکل منافذ به طور قابل توجهی بهبود بخشید.

علاوه بر این، بینش های به دست آمده با انجام یک اکتشاف پارامتری عددی به عنوان یک دستورالعمل طراحی مهم در ساخت مواد عملی برای کاربردها عمل می کند.

متا متریال یا فراماده چیست؟

کانال اطلاع رسانی تیم علمی و آموزشی دایا (کلیک کنید)