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仿甲殼結構設計的新式輕量金屬疊層材料

2011/02/09 | 未分類 |

Original publish date:Mar 20, 2005

編輯 HCC 報導

依據三月份的礦物、金屬與材料學會期刊(The Journal of the Minerals, Metals and Materials Society, JOM),加州聖地牙哥大學Jacobs工學院機械與航空工程系教授Vecchio研發了新式的金屬疊層(laminate)複合材料,可以取代有毒的鈹金屬,應用於航空或裝甲上。

聖地牙哥大學Jacobs工學院進行多項仿生研究,研究人員學習軟體動物甲殼、鳥啄、海膽骨以及其他生物複合材料的結構與功能設計,研發新型智慧材料(smart materials)以及感應器。Vecchio則模仿紅鮑螺(red abalone)堅硬甲殼的內部結構,以疊層方式製造新材料。

新材料主要由鋁合金與鈦合金薄膜經由加壓與加熱過程構成疊層,疊層由像陶質材料一樣硬的鈦鋁介金屬(intermetallic)層與柔軟的鈦合金層構成,鈦鋁(titanium aluminide)化合物的介金屬狀態相當於紅鮑螺甲殼的的硬態碳酸鈣,而鈦合金層則類似紅鮑螺甲殼的蛋白質層。薄層能堆疊成書頁般的厚度,在未加熱定型前,能以需求的外型進行輪廓設計。

新材料合乎環境安全需求,材料勁度與鋼鐵材料相當,密度則僅有鋼鐵材料的一半。Vecchio以每秒900公尺的速度將一根鎢合金重棒射入2公分厚的疊層試片,以測試新材料對彈頭的阻擋能力,鎢合金棒穿透一半的深度即被阻擋下來。

Vecchio另外也做了新材料的振動阻尼研究,薄膜加熱之前,Vecchio切除了疊層薄膜的部分材料,在疊層內製造了一些孔洞,然後填入鋼珠,鋼珠在疊層材料的約束下,在孔洞內可以自由的彈跳,作用如同高效率的振動阻尼器(damper)。除了以鋁合金與鈦合金薄膜熱壓成疊層金屬材料外,Vecchio亦使用釩、鉻、錳、鎳、鈷和鐵金屬薄膜進行疊層製造。於未來的研究進展上,Vecchio認為可以在疊層內部埋入金屬、陶瓷線或纖維,以加強疊層材料強度或充作感應器;或者更可發展成壓電(piezoelectric)材料。

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