科学家利用AI创造出一种全新材料:坚固如钢-轻如泡沫-革新航空航天材料科学
科学家利用AI创造出一种全新材料:坚固如钢 轻如泡沫 革新航空航天材料科学!几十年来,工程师们一直在寻找既轻便又坚固的材料。如果一种材料能在减轻重量的同时不牺牲耐用性,那么它将变得非常有用,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,它相对较轻且强度很高,但也有局限性。碳纤维的出现改变了游戏规则,但它并不耐磨,无法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并减轻重量。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。然而,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,避免可能开始失效的薄弱点。
为克服这些障碍,研究人员使用了贝叶斯优化,这是一种人工智能形式,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。然后,算法改进其设计,迭代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后,该团队使用双光子聚合技术(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。随后进行热解,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,可承受每立方米每千克密度2.03兆帕的压力。换句话说,它的强度比许多轻质材料如铝钛合金,甚至是某些形式的碳纤维高出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,令人震惊的是,人工智能不只是从训练数据中复制成功的几何形状,而是从形状的变化中学习,从而能够预测全新的晶格几何形状。研究人员发现,将碳梁的直径减小到300纳米时,其强度显著提高,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。
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,每替换一公斤钛,每年就可以节省80升燃料。
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