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研究/发展/教育

3D-印花织物可以是软的或硬

防弹衣和外骨骼的应用潜力。

2021年8月11日

纺织品的创新
|新加坡和美国加州

保护的医疗/卫生

一种新型的“锁子甲”面料是柔软的布一样,但可以根据需要加固已在新加坡南洋理工大学科技的加州理工学院(加州理工学院)的科学家开发的。

轻质织物是由尼龙塑料聚合物3D印刷,并包括中空八面体 - 与八个相等的三角形面的形状 - 即彼此互锁。

当软织物由柔性塑料包络和真空包装内包装,它变成一个刚性结构,它是25倍更硬或更硬的松弛时相比弯曲。其背后的物理原理被称为“干扰过渡”。

当僵硬,新的锁子甲织物可承受高达自身重量的50倍。©NTU

据认为,这些新的“可穿戴的结构化织物”可以智能的面料,可以变硬,以保护用户对于冲击和当需要额外的承重能力铺平道路。潜在应用包括防弹或刺弹衣,老人医疗配置的支持,以及对高冲击运动或类似建筑工地的工作场所防护外骨骼。这也可能导致新的平台技术,在医疗和机器人系统的应用。

“工程织物重量轻且可调 - 从软易于更换的刚性 - 可以使用,例如,为解决患者的需求和人口老龄化,创造外骨骼,可以帮助他们站,运送货物,并协助他们他们的日常工作,”南洋助理教授王一凡,谁开始研究,在加州理工学院博士后说。“古代的锁子甲装甲启发,我们使用的是互锁,以增强我们的可调织物的刚性塑料中空颗粒。为了进一步提高材料的刚度和强度,我们目前正在研究各种金属,包括铝,其可以被用于需要较高的负载容量较大规模的工业应用中,如桥梁或建筑物制成的织物“。

干扰过渡

在干扰过渡,固体颗粒的聚集体从流体状软状态切换到类似固体刚性状态,随着填充密度略有增加。然而,典型的固体颗粒通常是过重,不为可穿戴的应用提供足够的抗拉力。

研究人员设计结构颗粒 - 其中每个颗粒中的环,椭圆形,正方形,立方体,棱锥和八面体的不同的形状,然后可互锁在一起的形状制成中空帧。这些结构中,被称为“拓扑结构互锁”,然后可形成为具有低的密度和高但拉伸刚度,使用3D印刷技术将它们打印为单件链邮件织物。

该小组还3D印刷在铝链邮件,它具有更抗拉强度和更适合于工业应用。©NTU

研究人员随后建模每个颗粒和多少每个结构将响应于所施加的应力的量平均弯曲的接触点的数量。研究小组发现,通过定制的颗粒形状,还有的粒子多少重量有与织物多少可以弯曲,以及如何将两个因素权衡权衡。

要添加控制织物的硬挺度的一种方式,该球队在柔性塑料封套包封的链邮件织物和压实使用真空,从外部施加压力的织物。真空压力增加了织物的填充密度,导致每个颗粒有一个与它的邻居更多接触,导致,对于基于八面体的织物,即25倍更刚性的结构。当形成为平坦的,表形结构并真空锁定在适当位置,该织物可容纳1.5kgs的负载 - 的50倍以上的织物自身的重量。

在另一个实验中,退队小钢球(30克,测量直径1.27厘米)到链邮件以每秒3米。影响高达26毫米变形织物,当它被放宽,但只有3mm时,它是刚性 - 在穿透深度六倍减少。

To show the possibilities of their fabric concept using different source material, the team 3D-printed the chain mail using aluminium and demonstrated that it has the same flexibility and ‘soft’ performance as nylon when relaxed and yet it can also be ‘jammed’ into structures that are much stiffer compared to nylon due to aluminium’s higher stiffness and strength.

展望未来,该团队正在改善锁子甲的材料和织物的性能,并探讨加强它,比如通过磁,电或温度的多个方法。

www.ntu.edu.sg

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