Experimental study of the properties of metamaterials based on PLA plastic when perforated by a rigid striker

Толық мәтін

Данная работа посвящена продолжению экспериментальных исследований механических свойств создаваемых метаматериалов с ячеистой структурой из металла [1] или e-PLA пластика [2] при пробивании жестким сферическим ударником. На 3D-принтере из e-PLA пластика были изготовлены ауксетические (АС) и неауксетические образцы метаматериалов, имеющие хиральную структуру из ячеек, соответственно, в форме вогнутых или выпуклых шестиугольников (рис.1a–г). В отличие от обычных материалов с положительным коэффициентом Пуассона для ауксетических материалов сжатие в одном (например, продольном) направлении приводит не к растяжению, а к сжатию также и в другом (поперечном) направлении [3–9].

 

Рис. 1. Образцы метаматериалов и их внутренняя хиральная структура: а), b) – ауксетические; c), d) – неауксетические. На рис. (b) и (d) S = 6 мм, L = 3 мм, h = 0.4 мм, r = 0.8 мм

 

Целью проведенных исследований было изучить влияние ауксетических свойств рассматриваемых образцов метаматериалов на относительную потерю кинетической энергии ударника по сравнению с неауксетическими образцами той же массы. При этом наряду с образцами, ячейки которых были заполнены воздухом, испытывались образцы, заполненные пищевым желатином (см. рис. 2).

 

Рис. 2. Подготовленные образцы, заполненные желатином

 

Для рассматриваемых хиральных структур проверялась установленная в работе [2] для хиральной звездчатой структуры (hexachirals honeycomb) возможность отклонения направления движения ударника после пробивания от подлетного направления.

Пробивание образцов осуществлялось стальным сферическим ударником, имеющим диаметр 10 мм и массу 4.06 г. Образцы устанавливались на экспериментальном стенде и жестко закреплялись так, чтобы боковая поверхность была перпендикулярна направлению движения ударника, который разгонялся пневматической пушкой. Давление в камере пушки выставлялось таким образом, чтобы скорость вылета ударника составляла приблизительно 150 м/с. Скорость ударника на вылете из ствола пушки принималась за скорость входа в преграду (v₁), сопротивлением воздуха движению тела можно было пренебречь в силу небольших размеров экспериментальной установки. Скорость входа измерялась с помощью оптического рамочного хронографа ИБХ-АСС-0021 “Стрелец” и осциллографа. Скорость ударника на выходе из преграды (v₂) определялась с помощью высокоскоростной видеокамеры FASTCAM mini AX200, на которую записывался весь процесс пробивания. Камера размещалась таким образом, что на видеозаписи ударник пробивает образец, двигаясь справа налево. Боковая сторона образцов, которая подвергалась удару, во всех случаях имела размеры ~70 × 72 мм. Результаты экспериментов приведены в табл. 1 (заполнение ячеек – воздух) и табл. 2 (заполнение – желатин).

 

Таблица 1. Толщина и масса образцов с воздушным заполнением ячеек, значения скорости входа и выхода ударника для каждого образца

Номер эксперимента	Рисунок	Структура образца	Толщина H, мм	Масса m, г	Скорость входа v1, м/с	Скорость выхода v2, м/с
1	1(б)	ауксетик, 5 слоев	25	38.4	146.7	124
2	1(б)	ауксетик, 5 слоев	25	39.4	141	115
3	1(г)	неауксетик, 5 слоев	40.5	41.3	147	118.5
4	1(г)	неауксетик, 5 слоев	40.5	41.4	150	124.5
5	1(б)	ауксетик, 8 слоев	38.5	62	154.5	112.5
6	1(б)	ауксетик, 8 слоев	38.5	61.7	150	108
7	1(г)	неауксетик, 8 слоев	62.5	66.9	152.1	105
8	1(г)	неауксетик, 8 слоев	62.5	66.5	139.3	97.5
9	1(г)	ауксетик, 11 слоев	52	79.6	153.8	100.5
10	1(г)	ауксетик, 11 слоев	52	80.2	150	98
11	1(б)	ауксетик, 11 слоев	52	83.6	150	92.5
12	1(г)	неауксетик, 11 слоев	85	84	150	84
13	1(г)	неауксетик, 11 слоев	85	88.8	145	87

 

Таблица 2. Толщина и масса образцов с заполнением ячеек желатином, значения скорости входа и выхода ударника для каждого образца

Номер эксперимента	Рисунок	Структура образца	Толщина H, мм	Масса m, г	Скорость входа v1, м/с	Скорость выхода v2, м/с
14	1(б)	ауксетик, 5 слоев	25	130.1	147	103.3
15	1(б)	ауксетик, 5 слоев	25	137.9	148.3	102
16	1(г)	неауксетик, 3 слоя	25	133.6	150	113.2
17	1(г)	неауксетик, 3 слоя	25	131.6	150	118.8
18	1(б)	ауксетик, 8 слоев	38.5	205.7	159	78
19	1(б)	ауксетик, 8 слоев	38.5	211	153	66
20	1(б)	ауксетик, 8 слоев	38.5	206	156	67.5
21	1(г)	неауксетик, 5 слоев	40.5	215.2	150	96
22	1(г)	неауксетик, 5 слоев	40.5	211	144	90
23	1(б)	ауксетик, 11 слоев	52	280	150	31.4
24	1(б)	ауксетик, 11 слоев	52	269.5	150.2	33.8
25	1(б)	ауксетик, 11 слоев	52	269.5	153	30.8
26	1(б)	ауксетик, 11 слоев	52	276.5	153	45.8
27	1(г)	неауксетик, 7 слоев	55	285.5	147	60
28	1(г)	неауксетик, 7 слоев	55	280	156.6	48
29	1(г)	неауксетик, 7 слоев	55	278	153.3	50.3

 

На рис. 3, а представлена зависимость относительной потери кинетической энергии ударника  $\delta =\left({\nu }_1^2-{\nu }_2^2\right)/{\nu }_1^2$ (%) от массы m [г] пробиваемых образцов. Для наглядности добавлены линейные линии тренда для АС-образцов (синяя) и неауксетиков (красная). Видно, что линии тренда проходят очень близко, при этом сотовые неауксетические образцы чуть лучше сопротивляются пробиванию. Были также подготовлены и испытаны ауксетические и неауксетические образцы, заполненные желатином (из расчета 50 г желатина на 500 г воды) и примерно равные по массе. Экспериментальные зависимости величины $\delta$ от m для ауксетических и неауксетических структур с желатиновым наполнением приведены на рис. 3, б и показывают, что АС-образцы в данном случае существенно эффективнее неауксетитических образцов.

 

Рис. 3. Зависимость относительной потери кинетической энергии ударника $\delta$ [%] от массы m [г] пробиваемых образцов: с заполнением ячеек воздухом (а) и желатином (b)

 

В условиях проведенных экспериментов отклонение направления движения ударника после пробивания образцов с рассматриваемым видом хиральности (в отличие от хиральных звездчатых структур (hexachirals honeycomb) из работы [2]) было незначительным или (в большинстве случаев) не наблюдалось совсем.

Заключение. Проведенные эксперименты показали лучшую сопротивляемость заполненных желатином хиральных АС-образцов из e-PLA пластика по сравнению с неауксетическими при пробивании жестким сферическим телом. Для АС-образцов из пластика с воздухом в ячейках вышеописанный (и установленный ранее для металлических структур в работе [1]) эффект не наблюдался. Это, возможно, связано с особенностями разрушения более хрупкого пластика, по сравнению с металлом, и может быть предметом для дальнейшего изучения.

Работа выполнена по темам госзадания (номера госрегистрации 124012500437-9, 124013000674-0). Авторы выражают благодарность А.И. Демину за помощь в подготовке 3D-моделей образцов.

Авторлар туралы

S. Ivanova

Ishlinsky Institute for Problems in Mechanics RAS

Email: lisovenk@ipmnet.ru
Ресей, Moscow

K. Osipenko

Ishlinsky Institute for Problems in Mechanics RAS

Email: lisovenk@ipmnet.ru
Ресей, Moscow

N. Banichuk

Ishlinsky Institute for Problems in Mechanics RAS

Email: lisovenk@ipmnet.ru
Ресей, Moscow

D. Lisovenko

Ishlinsky Institute for Problems in Mechanics RAS

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: lisovenk@ipmnet.ru
Ресей, Moscow

Әдебиет тізімі

Қосымша файлдар