02/2023/XNUMX (Tiêu điểm Nanowerk) Tất cả các hệ thống cơ học đều thể hiện sự cộng hưởng rung động, trong đó việc truyền năng lượng qua cấu trúc tăng vọt ở các tần số tự nhiên nhất định. Hiệu ứng cộng hưởng này bắt nguồn từ đặc tính khối lượng và độ cứng của hệ thống. Ở những tần số cộng hưởng này, ngay cả những rung động đầu vào nhỏ cũng có thể được khuếch đại thành những chuyển động dao động lớn. Ví dụ, đẩy một đứa trẻ lên chiếc xích đu ở tần số tự nhiên sẽ dẫn đến những dao động lớn mà chỉ cần nỗ lực tối thiểu. Trong các ứng dụng kỹ thuật cơ khí, những sự cộng hưởng này có thể gây tai hại, thường tạo ra tiếng ồn và độ rung không thể chịu đựng được, hoặc thậm chí gây hỏng hóc nghiêm trọng ở các thiết bị nhạy cảm. Do đó, việc hạn chế khuếch đại ở tần số cộng hưởng là điều tối quan trọng để giảm thiểu những tác động gây hại này trên các lĩnh vực từ hàng không vũ trụ đến âm học. Các giải pháp giảm rung truyền thống thường liên quan đến sự cân bằng phức tạp giữa hiệu suất giảm chấn, khối lượng và độ cứng. Các giải pháp này thường dựa vào các cấu trúc cơ khí hoặc hệ thống điện phức tạp, có thể tăng thêm khối lượng hoặc giảm độ cứng, khiến chúng không phù hợp với nhiều ứng dụng. Siêu vật liệu mất ổn định khắc phục những hạn chế này bằng cách sử dụng tính không ổn định khi mất ổn định để đạt được hiệu suất giảm chấn cao mà không cần tăng thêm khối lượng hoặc mất đi độ cứng. Các nhà nghiên cứu đã phát triển một loại cơ khí mới siêu vật liệu theo một nghiên cứu mang tính đột phá gần đây được công bố trên tạp chí Vật liệu tiên tiến (“Siêu vật liệu uốn cong để giảm rung động cực độ”). Những “siêu vật liệu oằn” này có thể tạo ra các cấu trúc nhẹ làm giảm rung động hiệu quả hơn các vật liệu hiện có và biến đổi một loạt công nghệ trong đó việc kiểm soát rung động là rất quan trọng. Các siêu vật liệu mới sử dụng một cách tiếp cận hoàn toàn khác, sử dụng tính không ổn định khi uốn của các thành phần chịu tải chính của chúng để tạo ra hành vi phi tuyến làm giảm rung động. Tác giả chính David Dykstra từ Đại học Amsterdam giải thích: “Chúng tôi chứng minh rằng các siêu vật liệu mang tải độc lập trải qua tình trạng mất ổn định mất ổn định có thể đặt ra các giới hạn cứng đối với việc truyền rung động, bão hòa gia tốc ở giá trị tối đa bất kể đầu vào”.
Giảm rung bằng cách uốn cong. A) Một hệ thống giảm chấn lò xo khối lượng (M), với kích thích cơ bản (màu xanh) có thể cho thấy phản ứng khuếch đại lớn (màu cam) xung quanh sự cộng hưởng. B) Khi lò xo là thanh mảnh, có thể bị biến dạng khi chịu đủ tải nén từ kích thích cơ bản thì phản ứng khuếch đại có thể thấp hơn. C,D) Sự biến dạng của một mẫu ba chiều có khối lượng được gắn phía trên khi chịu một kích thích cơ bản từ phía dưới xung quanh tần số riêng. C) Gia tốc kích thích cơ bản là 0.26G ở tần số 33.8 Hz; D) gia tốc kích thích cbase là 0.89G ở tần số 33.0 Hz. Độ elip của các lỗ, Ω, được theo dõi bằng các hình elip màu đỏ và xanh lam (xem “Phân tích hình ảnh” trong Phần Thử nghiệm, thanh màu). E, F) Kích thích cơ bản (màu xanh) lần lượt là 0.26G (E) và 0.89G (F) tạo ra gia tốc đầu ra (màu cam) lần lượt là 4.3G (E) và 5.7G (F). (In lại với sự cho phép của Wiley-VCH Verlag) Các nhà nghiên cứu lần đầu tiên minh họa khái niệm này bằng cách sử dụng một siêu vật liệu polyme có mô hình các lỗ tròn, chúng bị oằn lại khi bị nén ở biên độ rung cao hơn. Tính phi tuyến oằn gây ra một trạng thái ổn định trong lực được truyền bất kể biên độ rung đầu vào. Nó cũng giới thiệu hệ thống giảm chấn nhằm ngăn chặn hơn nữa việc truyền rung động ở cả lực nén và lực căng. Điều này có nghĩa là những vật liệu này có thể kiểm soát rung động một cách hiệu quả ngay cả khi chúng bị kéo ra xa nhau, một tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực giảm rung.
Nhóm nghiên cứu đã chứng minh cơ chế này làm giảm hiệu quả các rung động trong siêu vật liệu đàn hồi qua một loạt các rung động đầu vào được kiểm soát và ngẫu nhiên. Nhưng chất đàn hồi vốn có độ cứng thấp nên không thực tế cho nhiều ứng dụng.
Vì vậy, các nhà nghiên cứu tiếp tục phát triển một siêu vật liệu uốn kim loại bằng cách sử dụng một mạng lưới các tấm thép cong phức tạp. Thiết kế thành mỏng cho phép oằn đàn hồi mà không bị biến dạng vĩnh viễn. Dưới sự rung động, cấu trúc thể hiện hiện tượng mất ổn định đột ngột làm tiêu tán năng lượng.
Siêu vật liệu thép có hệ số giảm chấn cao hơn khoảng 23 lần so với kim loại nhẹ thông thường. Theo đồng tác giả Corentin Coulais, “Điều này cho thấy siêu vật liệu mất ổn định có thể được sử dụng để vượt qua giới hạn Ashby của hệ số tổn thất so với mô đun cụ thể”. Nghiên cứu chứng minh khái niệm này có hiệu quả đối với cả vật liệu mềm và cứng. Ngoài công việc thử nghiệm, các nhà nghiên cứu đã phát triển một mô hình số đơn giản để dự đoán phản ứng của giảm chấn rung dựa trên sự uốn cong. Mô hình này là một công cụ có giá trị để thiết kế và tối ưu hóa các vật liệu này trong tương lai, mở đường cho các hệ thống giảm chấn hiệu suất và hiệu quả hơn.
Các ứng dụng tiềm năng của siêu vật liệu oằn là rất lớn và có tính biến đổi. Ví dụ, trong ngành hàng không vũ trụ, những vật liệu này có thể tạo ra các cấu trúc máy bay nhẹ hơn, chống rung tốt hơn. Cánh hoặc cabin mỏng hơn, giảm chấn sẽ cải thiện hiệu quả sử dụng nhiên liệu, sự thoải mái và an toàn cho hành khách bằng cách ngăn ngừa các hư hỏng về cấu trúc.
Đối với các nhà sản xuất dụng cụ khoa học có độ chính xác cao như kính hiển vi điện tử, vật liệu này có thể loại bỏ các rung động gây nhiễu làm giảm độ chính xác của hình ảnh mà không ảnh hưởng đến độ cứng. Cấu trúc nhẹ có khả năng giảm xóc cao của chúng cũng có thể ổn định thiết bị trong môi trường năng động như ô tô tự lái.
Ngoài ra, lĩnh vực ô tô có thể sử dụng siêu vật liệu oằn để làm cabin yên tĩnh và cải thiện chất lượng xe mà không cần tăng thêm trọng lượng. Độ ổn định đàn hồi của vật liệu có nghĩa là chúng có thể chịu được các chu kỳ rung động lặp đi lặp lại mà không bị mỏi. Cấu trúc thành mỏng của chúng có thể cho phép các bộ phận giảm chấn nhỏ gọn hơn.
Những phát hiện này cũng sẽ giúp tối ưu hóa thiết kế tuabin gió và cầu. Sự rung động của tháp và sàn giảm chấn sẽ tránh được các vấn đề về mỏi và cộng hưởng của vật liệu làm giảm tuổi thọ sử dụng. Các kỹ sư dân dụng giờ đây có thể tạo ra cơ sở hạ tầng linh hoạt hơn với thời gian hoạt động dài hơn.
Và các nhà sản xuất máy móc công nghiệp và cánh tay robot có thể tích hợp siêu vật liệu để giảm các dao động cản trở độ chính xác và chất lượng. Loại bỏ rung động sẽ tăng năng suất trong các nhà máy tự động.
Tiềm năng còn mở rộng sang các lĩnh vực như âm học và MEMS.
By
Michael
Berger
Giảm rung bằng cách uốn cong. A) Một hệ thống giảm chấn lò xo khối lượng (M), với kích thích cơ bản (màu xanh) có thể cho thấy phản ứng khuếch đại lớn (màu cam) xung quanh sự cộng hưởng. B) Khi lò xo là thanh mảnh, có thể bị biến dạng khi chịu đủ tải nén từ kích thích cơ bản thì phản ứng khuếch đại có thể thấp hơn. C,D) Sự biến dạng của một mẫu ba chiều có khối lượng được gắn phía trên khi chịu một kích thích cơ bản từ phía dưới xung quanh tần số riêng. C) Gia tốc kích thích cơ bản là 0.26G ở tần số 33.8 Hz; D) gia tốc kích thích cbase là 0.89G ở tần số 33.0 Hz. Độ elip của các lỗ, Ω, được theo dõi bằng các hình elip màu đỏ và xanh lam (xem “Phân tích hình ảnh” trong Phần Thử nghiệm, thanh màu). E, F) Kích thích cơ bản (màu xanh) lần lượt là 0.26G (E) và 0.89G (F) tạo ra gia tốc đầu ra (màu cam) lần lượt là 4.3G (E) và 5.7G (F). (In lại với sự cho phép của Wiley-VCH Verlag) Các nhà nghiên cứu lần đầu tiên minh họa khái niệm này bằng cách sử dụng một siêu vật liệu polyme có mô hình các lỗ tròn, chúng bị oằn lại khi bị nén ở biên độ rung cao hơn. Tính phi tuyến oằn gây ra một trạng thái ổn định trong lực được truyền bất kể biên độ rung đầu vào. Nó cũng giới thiệu hệ thống giảm chấn nhằm ngăn chặn hơn nữa việc truyền rung động ở cả lực nén và lực căng. Điều này có nghĩa là những vật liệu này có thể kiểm soát rung động một cách hiệu quả ngay cả khi chúng bị kéo ra xa nhau, một tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực giảm rung.
Nhóm nghiên cứu đã chứng minh cơ chế này làm giảm hiệu quả các rung động trong siêu vật liệu đàn hồi qua một loạt các rung động đầu vào được kiểm soát và ngẫu nhiên. Nhưng chất đàn hồi vốn có độ cứng thấp nên không thực tế cho nhiều ứng dụng.
Vì vậy, các nhà nghiên cứu tiếp tục phát triển một siêu vật liệu uốn kim loại bằng cách sử dụng một mạng lưới các tấm thép cong phức tạp. Thiết kế thành mỏng cho phép oằn đàn hồi mà không bị biến dạng vĩnh viễn. Dưới sự rung động, cấu trúc thể hiện hiện tượng mất ổn định đột ngột làm tiêu tán năng lượng.
Siêu vật liệu thép có hệ số giảm chấn cao hơn khoảng 23 lần so với kim loại nhẹ thông thường. Theo đồng tác giả Corentin Coulais, “Điều này cho thấy siêu vật liệu mất ổn định có thể được sử dụng để vượt qua giới hạn Ashby của hệ số tổn thất so với mô đun cụ thể”. Nghiên cứu chứng minh khái niệm này có hiệu quả đối với cả vật liệu mềm và cứng. Ngoài công việc thử nghiệm, các nhà nghiên cứu đã phát triển một mô hình số đơn giản để dự đoán phản ứng của giảm chấn rung dựa trên sự uốn cong. Mô hình này là một công cụ có giá trị để thiết kế và tối ưu hóa các vật liệu này trong tương lai, mở đường cho các hệ thống giảm chấn hiệu suất và hiệu quả hơn.
Các ứng dụng tiềm năng của siêu vật liệu oằn là rất lớn và có tính biến đổi. Ví dụ, trong ngành hàng không vũ trụ, những vật liệu này có thể tạo ra các cấu trúc máy bay nhẹ hơn, chống rung tốt hơn. Cánh hoặc cabin mỏng hơn, giảm chấn sẽ cải thiện hiệu quả sử dụng nhiên liệu, sự thoải mái và an toàn cho hành khách bằng cách ngăn ngừa các hư hỏng về cấu trúc.
Đối với các nhà sản xuất dụng cụ khoa học có độ chính xác cao như kính hiển vi điện tử, vật liệu này có thể loại bỏ các rung động gây nhiễu làm giảm độ chính xác của hình ảnh mà không ảnh hưởng đến độ cứng. Cấu trúc nhẹ có khả năng giảm xóc cao của chúng cũng có thể ổn định thiết bị trong môi trường năng động như ô tô tự lái.
Ngoài ra, lĩnh vực ô tô có thể sử dụng siêu vật liệu oằn để làm cabin yên tĩnh và cải thiện chất lượng xe mà không cần tăng thêm trọng lượng. Độ ổn định đàn hồi của vật liệu có nghĩa là chúng có thể chịu được các chu kỳ rung động lặp đi lặp lại mà không bị mỏi. Cấu trúc thành mỏng của chúng có thể cho phép các bộ phận giảm chấn nhỏ gọn hơn.
Những phát hiện này cũng sẽ giúp tối ưu hóa thiết kế tuabin gió và cầu. Sự rung động của tháp và sàn giảm chấn sẽ tránh được các vấn đề về mỏi và cộng hưởng của vật liệu làm giảm tuổi thọ sử dụng. Các kỹ sư dân dụng giờ đây có thể tạo ra cơ sở hạ tầng linh hoạt hơn với thời gian hoạt động dài hơn.
Và các nhà sản xuất máy móc công nghiệp và cánh tay robot có thể tích hợp siêu vật liệu để giảm các dao động cản trở độ chính xác và chất lượng. Loại bỏ rung động sẽ tăng năng suất trong các nhà máy tự động.
Tiềm năng còn mở rộng sang các lĩnh vực như âm học và MEMS.
By
Michael
Berger
– Michael là tác giả của ba cuốn sách của Hiệp hội Hóa học Hoàng gia:
Xã hội Nano: Đẩy mạnh ranh giới của công nghệ,
Công nghệ nano: Tương lai nhỏ bé và
Nanoengineering: Các kỹ năng và công cụ làm cho công nghệ vô hình
Bản quyền ©
Công Ty TNHH Nanowerk
Trở thành tác giả khách mời của Spotlight! Tham gia nhóm lớn và đang phát triển của chúng tôi những người đóng góp cho khách. Bạn vừa xuất bản một bài báo khoa học hoặc có những phát triển thú vị khác để chia sẻ với cộng đồng công nghệ nano? Đây là cách xuất bản trên nanowerk.com.
- Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
- PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
- Trung tâmESG. Ô tô / Xe điện, Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
- BlockOffsets. Hiện đại hóa quyền sở hữu bù đắp môi trường. Truy cập Tại đây.
- nguồn: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=63446.php
