Perspektywiczne systemy ochronne będą wymagać nowej klasy metamateriałów, których reakcja będzie dostosowana do rodzaju i intensywności obciążeń, wykazując właściwości opisywane różnymi krzywymi naprężenie-odkształcenie. Za przełom technologiczny można byłoby uznać materiał wykazujący się zarówno sztywnością w odpowiedzi na silne uderzenia, jak i elastycznością w reakcji na mniejsze obciążenia. Właśnie nad takimi strukturami pracują badacze z UnivPM (Università Politecnica delle Marche), UnivAQ (Università degli Studi dell’Aquila) i Uniwersytetu w Glasgow. Owocem ich badań są adaptacyjne metamateriały o strukturze skrętnej.
Metamateriały budowane są w oparciu o innowacje strukturalne, pozwalające na otrzymanie niewystępujących naturalnie właściwości mechanicznych i nietypowych funkcjonalności. W tym przypadku mamy do czynienia ze strukturą zachowującą się jak ośrodek mikropolarny, przenoszący zarówno naprężenia siłowe, jak i momentowe, którego punkty mają sześć stopni swobody. Dzięki wykorzystaniu specjalnych struktur o gyroidalnej budowie komórkowej, prezentowane metamateriały reagują na obciążenie nieliniowo, wykazując moment skręcający. W ten sposób liniowa siła obciążenia przekształcona zostaje w deformację skrętną.
Ich zachowanie przebadano w ramach wieloskalowego podejścia analitycznego, obejmującego mechanikę ośrodka ciągłego (mikropolarny ośrodek Cosseratów), modelowanie MES i testy fizyczne. Próbki wydrukowane zostały w 3D ze stali FE7131 metodą LPBF. Podczas testów przebadano trzy scenariusze, w ramach których mechanicznie kontrolowano ruch skrętny próbek. Próbka o zablokowanej możliwości obrotu wykazała najsztywniejszą reakcję na obciążenie, absorbując energię wartości 15.36 J/g. W warunkach swobodnego obrotu wartość ta zmalała o 10%, a w warunkach wymuszonego przekręcenia – o 33%. W rezultacie udowodniono możliwość mechanicznego kontrolowania absorpcji energii, bez potrzeby stosowania systemów elektronicznych lub hydraulicznych.
Zanim tego typu struktury będą mogły znaleźć zastosowanie w praktyce przymysłowej, na przykład w budowie samochodowych absorberów typu crash box, konieczna będzie jednak znacznie bardziej wymagająca walidacja pełnoskalowa.
gla.ac.uk
M. Utzeri, M. L. Gatto, E. Mancini, et al.: Adaptive Twisting Metamaterials. Adv. Mater., e13714, 2025
