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科学家用AI创造全新材料:既像钢一样坚固 又像泡沫一样轻

2025年02月12日 08:50:50 人气: 15320 来源: 快科技
  几十年来,工程师们一直在寻找既轻便又坚固的材料,如果一种材料减轻重量的同时又不牺牲耐用性的话,那么它会变得非常有用,特别是在航空航天行业,因为每减轻一克重量都可以节省大量燃料并提高性能。
 
  铝钛合金是航空航天的传统材料,它相对较轻同时强度又很高,但有其局限性;碳纤维的出现虽然改变了游戏规则,但也并非没有缺点,例如它并不耐磨,不可能像铝钛合金那样用于航空发动机。
 
  为了开发和突破材料科学的极限,加拿大的一个研究团队转向了纳米结构材料——在纳米尺度上设计结构,以最大限度地提高材料强度和减轻重量。
 
  他们从大自然中汲取灵感,模仿骨骼、贝壳甚至蜂巢中的结构。
 
  但设计这些结构并非易事,挑战在于创建均匀分布应力的几何形状,且避免可能开始失效的薄弱点。
 
  为了克服这些障碍,研究人员转向了贝叶斯优化,这是一种人工智能(AI)形式,擅长在无数选项中找到最佳设计。
 
  整个过程从算法生成数千种潜在设计开始。
 
  每种设计都在虚拟环境中使用有限元分析进行测试(有限元分析是一种预测材料在压力下表现的计算方法),然后算法改进其设计,迭代设计出强度和刚度最大化、重量最小化的结构。
 
  人工智能提供了一份优化设计的简短列表之后,该团队使用双光子聚合技术(这是一种可以创建纳米级精度结构的 3D 打印技术)物理创建了所提出的材料。
 
  利用这种技术,他们制造出由厚度仅为300至600纳米的梁组成的晶格,这些晶格(6.3x6.3x3.8毫米)由 1875 万个单元组成。
 
  最后进行热解,这一过程通过在富氮环境中将聚合物加热到900摄氏度将其转化为玻璃碳。
 
  这些经过人工智能优化的纳米晶格强度比以前的设计高出一倍以上,它们可承受每立方米每千克密度 2.03 兆帕的压力。
 
  换句话说,它比许多轻质材料——如铝钛合金,甚至是某些形式的碳纤维的强度高出10倍以上,比钛高出约5倍。
 
  这是人工智能首次应用于优化纳米结构材料,让人感到震惊的是,人工智能不只是从训练数据中复制成功的几何形状,而是从形状的哪些变化有效、哪些无效中学习,从而使其能够预测全新的晶格几何形状。
 
  还有一个问题,是什么让这些纳米晶格变得如此坚固?
 
  答案在于碳在纳米尺度上的独特性质。
 
  研究人员发现,将碳梁的直径减小到300纳米时,其强度可显著提高,这是由于一种称为“尺寸效应”的现象,即材料在极小的尺度上表现不同(尺寸越小则强度越高)。
 
  在纳米尺度上,碳原子以最大化强度的方式排列,碳梁的外层由94%的sp? -碳组成,这种碳形式以出色的强度和刚度而闻名。
 
  这种高纯度碳壳与梁的优化几何形状相结合,使材料能够承受巨大的力量而不会断裂。
 
  最后
 
  研究人员推测,这种材料的潜在影响可能会远远超出实验室范围。
 
  更轻的部件可以减少燃料需求并降低排放,由这种材料制成的超轻部件可能很快会为飞机、直升机和航天器提供动力。
 
  根据该研究的研究人员估算,如果用这种材料替换现有飞机上由钛制成的部件的话,那么每替换一公斤钛,每年就可以节省 80 升燃料。
关键词: AI,新材料
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