格拉斯哥大学的研究人员在自感应材料的开发方面取得了重大突破，这种材料可以检测自身形状或状态的变化。这些通过 3D 打印生产的材料可能会在航空航天、汽车和土木工程等领域产生变革性应用。这项研究由该大学詹姆斯瓦特工程学院的 Shanmugam Kumar 教授领导，有望提高关键基础设施和交通系统的安全性和性能。
用于实时监控的智能材料
这项研究开发的自感应材料具有独特的能力，可以通过电流的变化检测其结构的变化。这项技术使材料能够实时监测自身的完整性，这意味着它们可以在故障或损坏导致严重故障之前很久就识别出它们。这一进步可以通过对飞机、车辆、桥梁和建筑物等结构的持续监测来彻底改变行业。通过利用这些材料，可以尽早发现潜在问题并采取预防措施，从而提高安全性和维护效率。
图片来源：格拉斯哥大学
3D 打印是关键推动因素
该团队的创新之处在于将 3D 打印与碳纳米管技术相结合，创造出能够感知内部应力的压阻材料。3D 打印或增材制造可以创建复杂、轻质的结构，这些结构可以精细调整强度和刚度。通过在材料中嵌入碳纳米管，研究人员能够实现导电性，使材料能够通过电阻变化感知自身的结构状况。
Kumar 教授指出，这种自我感知能力可以大大减少对额外硬件的需求，因为材料本身能够监测自身的性能。“将压阻行为赋予 3D 打印蜂窝材料，使它们能够在不添加任何额外硬件的情况下监测自身的性能，”他说。
未来应用的潜力
这项研究为智能材料的未来带来了令人兴奋的一瞥。除了航空航天和汽车行业，土木工程也可以从这些自感应材料的开发中受益匪浅。对桥梁和隧道等基础设施进行持续的实时监控可以在结构问题变得严重之前就向工程师发出警报，从而防止重大故障。
此外，这些材料感知和应对损伤的能力可能为机器人等领域打开新的大门，实时结构监测将确保更安全、更高效的操作。它们甚至可能应用于军事领域，配备自感知材料的防弹衣可以为士兵提供有关其防护装备状况的即时反馈。
材料设计的新方法
这项研究最引人注目的方面之一是其全面的系统，用于预测自感应材料在压力下的行为。该团队使用复杂的计算机建模和有限元分析来预测 3D 打印材料的行为。这些预测通过实际测试得到验证，证明了模型的准确性。
库马尔教授解释说：“该系统能够对 3D 打印材料进行多尺度建模，并结合多种物理类型。”这一突破可能使未来的研究人员和工程师能够更有效地设计新的自感应材料，从而减少开发过程中反复试验的需要。
解锁增材制造的新可能性
这项研究的影响十分巨大，可能会改变那些对安全、维护和实时监控至关重要的行业。随着增材制造领域的不断发展，将智能、自感应材料融入新设计的能力可能会带来更安全、更高效、更具弹性的结构。
展望未来，该团队的工作可能会激发对自感应材料的进一步探索，为自主感应结构材料开辟新的可能性。通过利用这项开创性的研究，全球各行各业可能很快就能利用 3D 打印的力量来创造能够思考、感知和实时响应环境的材料。
来源：gla.ac.uk
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