متامتریال های دارای شبکه لانه زنبوری سلسله مراتبی با خواص مقاومتی و مکانیکی بهبود یافته
چکیده
پیشرفت‌های اخیر در صنایع دفاعی، هوافضا و انرژی تقاضای عظیم مواد چندکارکردی را، که سبک‌وزن، دارای ظرفیت باربری و مقاومت حرارتی‌اند، پدید آورده است. متامتریال‌هایی که معماری‌شان بصورت مصنوعی مهندسی شده است می‌توان برای تهیه ترکیب موثری از این خواص بکار گرفت. در این مقاله، از گروهی از متامتریال‌های دارای معماری سلسله مراتبی گزارش می‌دهیم که با جایگزینی جداره‌های سلولی لانه زنبورهای منظم با شبکه‌های شش‌وجهی، کاگومه و مثلثی ساخته می‌شوند. مطالعات عددی و تحلیلی ما نشان می‌دهند که ورود سلسله مراتب ساختاری لانه زنبوری‌های منظم سبب بهبود مقاومت گرمایی و ناهمسانگردی حرارتی می‌شود. این خواص حرارتی با تعدیل دو پارامتر هندسی لانه زنبوری‌های سلسله مراتبی کنترل می‌شوند. همچنین، پیش‌بینی خواهیم کرد که لانه زنبوری‌های سلسله مراتبی که دارای شبکه‌های کاگومه و مثلثی‌اند خواص مکانیکی بهتری دارند. تحلیل ما از این حقیقت پرده بر می‌دارد که کاهش یکپارچه حرارت و ظرفیت باربری لانه زنبوری‌های سلسله مراتبی به خاطر ورود سلسله مراتب ساختاری است. متامتریال‌های سلسله مراتبی که در اینجا ارائه می‌شوند فرصت‌های تازه‌ای برای طراحی چندکارکردی فراهم می‌آورند که برای مصارف مختلف مهندسی فرصت‌های نویدبخشی محسوب می‌شوند.
1. مقدمه
متامتریال‌ها موادی‌اند که بصورت مصنوعی مهندسی می‌شوند و خواص فیزیکی‌شان به جای ترکیب تابع معماری‌های ذاتی است. این مواد جدید توجه تحقیقات زیادی را به خود معطوف کرده‌اند، زیرا ترکیب خواص غیرمعمولی را ایجاد می‌کنند که در مواد طبیعی بدست نمی‌آید. خواص غیرمعمول عادی از شاخص‌های انکسار منفی در متامتریال‌های الکترومغناطیسی تا چگالی جرمی منفی (۱،۲) و سختی فوق‌العاده بالا در متامتریال‌های مکانیکی (۳-۶) را در بر می‌گیرند. مثلاً، پیشرفت‌های اخیر در تکنیک‌های ساخت این امکان را فراهم کرد که متامتریال‌های مکانیکی با توپولوژی و اندازه سلولی ساخته شوند که بصورت منطقی کنترل می‌شود (۳-۱۱). این متامتریال‌هایی که ساختار میکرو/نانو دارند در گستره وسیعی از چگالی‌ها وزن سبک و سختی فوق‌العاده بالایی دارند. همچنین، دیگر خواص فیزیکی جدید از جمله خواص فیزیکی فوتونیک قابل دفاع (۶) و ظرفیت کاهش گرما نیز در متامتریال‌های معماری‌شده (۱۲،۱۳) نیز گزارش شده است. این پیشرفت‌ها آشکار می‌کنند که می‌توان متامتریال‌هایی که معماری‌شان بصورت مصنوعی مهندسی شده است کاندیدای اصلی مواد چندکارکردی نسل آینده دانست.
abstract
Recent advances in the defense, aerospace, and energy industries have triggered tremendous demand for multifunctional materials featuring lightweight, load-carrying capacity, and thermal resistance. Metamaterials with artificially engineered architectures can be exploited to provide a compelling combination of these properties. Here we report a group of hierarchically architected metamaterials constructed by replacing cell walls of regular honeycombs with hexagonal, kagome, and triangular lattices, respectively. Our numerical and analytical studies indicate that the introduction of structural hierarchy in regular honeycombs results in improved heat resistance and thermal anisotropy. These thermal properties can be controlled by tailoring two geometric parameters of the hierarchical honeycombs. We also predict that the hierarchical honeycombs with kagome and triangular lattices exhibit enhanced mechanical properties. Our analysis reveals that the integrated thermal mitigation and load-carrying capacity of the hierarchical honeycombs are attributed to the introduction of structural hierarchy. The hierarchical metamaterials reported here provides new opportunities to design multifunctional materials that are promising for various engineering applications.
1. Introduction
Metamaterials are artificially engineered materials whose physical properties are dictated by the inherent architectures rather than their compositions. These novel materials have attracted intensive research interests because they enable a combination of unusual properties that cannot be achieved in natural materials. Typical unusual properties range from negative refractive indexes in electromagnetic metamaterials to negative mass density [1,2] and ultrahigh stiffness in mechanical metamaterials [3–6]. For example, recent advances in fabrication techniques have allowed for the fabrication of mechanical metamaterials with rationally controlled topology and cell size [3–11]. These micro-/ nanostructured metamaterials demonstrate lightweight and ultrahigh stiffness over a wide range of density. Additionally, other novel physical properties including tunable photonic properties [6] and heat mitigation capability have also been reported in the architected metamaterials [12,13]. These advances indicate that metamaterials with artificially engineered architectures can be considered as prime candidates for next generation multifunctional materials.
چکیده
1. مقدمه
2. مدل‌ها و روش‌ها
2.۱. توصیف لانه زنبوری‌های سلسله مراتبی
۲.۲ محاسبه رسانایی حرارتی موثر
۲.۲.۱ مدلسازی عددی
۲.۲.۲ راه‌حل‌های تحلیلی تقریبی
۲.۳. مدلسازی پاسخ مکانیکی لانه زنبوری سلسله مراتبی
3. نتایج و بحث
۳.۱ اثر ویژگی‌های هندسی بر ETC
۳.۲ پاسخ مکانیکی لانه زنبوری‌های سلسله مراتبی
۳.۳ طراحی لانه زنبوری‌های سلسله مراتبی چندکارکردی
4. نتیجه‌گیری
abstract
1. Introduction
2. Models and methods
2.1. Characterization of the hierarchical honeycombs
2.2. Calculation of effective thermal conductivity
2.3. Modeling the mechanical response of hierarchical honeycombs
3. Results and discussion
3.1. Effects of Geometric Features on ETC
3.2. Mechanical response of hierarchical honeycombs
4. Conclusion
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت ورد (word) با قابلیت ویرایش، بدون آرم سایت ای ترجمه
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت pdf، بدون آرم سایت ای ترجمه