客戶文獻 | 基于絲瓜海綿仿生結(jié)構(gòu)的微納米CT成像分析與緩沖性能研究

更新時間：2025-01-08

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湖南工業(yè)大學研究團隊在國際期刊《Applied Sciences》上發(fā)表了一項重要研究成果。該研究通過微焦點CT成像系統(tǒng)深入檢測了絲瓜絡(luò)海綿的內(nèi)部仿生結(jié)構(gòu)，并系統(tǒng)研究了其緩沖性能。這項研究的作者為謝勇老師。

研究摘要

絲瓜絡(luò)海綿具有出色的緩沖性能。本文提出了一種受絲瓜絡(luò)海綿啟發(fā)的仿生結(jié)構(gòu)。該仿生結(jié)構(gòu)的幾何形狀基于分形理論，通過 Python 編程語言構(gòu)建，并由 3D 打印機制備而成。

隨后進行了一系列準靜態(tài)壓縮測試和有限元分析，以確定緩沖性能。采用優(yōu)化設(shè)計確定設(shè)計參數(shù)。結(jié)果表明，長度（a）對比吸能的影響比角度（θ）更為重要。

發(fā)現(xiàn)參數(shù)為長度小于4mm且角度約為 11°。絲瓜絡(luò)海綿的仿生結(jié)構(gòu)可能為天然多孔材料提供一個新穎的視角。研究結(jié)果展示了設(shè)計分層多孔結(jié)構(gòu)的巨大潛力以及在緩沖和能量吸收領(lǐng)域的廣闊應用前景。

仿生材料取樣研究方法

絲瓜絡(luò)海綿的結(jié)構(gòu)

(a) 天然絲瓜絡(luò)；
(b) 絲瓜絡(luò)海綿的四個主要部分：O（外層）、M（中層）、I（內(nèi)層）和C（核心層）；
(c) 絲瓜絡(luò)海綿的三個主要方向。

仿生研究的流程圖

CT表征結(jié)果

絲瓜絡(luò)海綿的微計算機斷層掃描（micro-CT）圖像

(a) 絲瓜絡(luò)海綿的橫截面；
(b) 絲瓜絡(luò)海綿的三個高密度區(qū)域；
(c) 天然絲瓜絡(luò)的橫截面；
(d) 絲瓜絡(luò)海綿的縱截面；
(e) I層的紋理；
(f) 簡化結(jié)構(gòu)。

(a) 四種絲瓜絡(luò)海綿的分形維數(shù)；
(b) 來自絲瓜絡(luò)海綿層（I層）的試樣。

*在這里，“分形維數(shù)"是一個描述物體復雜程度或不規(guī)則程度的數(shù)學量。在材料科學中，分形維數(shù)常被用來表征多孔材料的孔隙結(jié)構(gòu)復雜度。絲瓜絡(luò)海綿作為一種多孔材料，其分形維數(shù)能夠反映其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的復雜性和不規(guī)則性。“絲瓜絡(luò)海綿"是一種由絲瓜纖維構(gòu)成的多孔材料，常用于清潔、過濾和吸音等領(lǐng)域。在這里，“I層"可能指的是絲瓜絡(luò)海綿中的某一特定層或區(qū)域，用于取樣進行進一步的分析或測試。

研究結(jié)論

仿生結(jié)構(gòu)的比能量吸收值已接近絲瓜海綿，但比強度仍有提升空間。本研究基于準靜態(tài)壓縮，動力學速度效應需進一步研究。TPU材料因其加工簡便和彈性好被選用，但高密度限制了其力學性能。材料橫向比較是下一階段研究重點。仿生結(jié)構(gòu)雖受樹結(jié)構(gòu)啟發(fā)，但在緩沖和包裝設(shè)計中應用少。基于絲瓜海綿的運輸托盤概念是仿生結(jié)構(gòu)的應用實例。微焦點CT在仿生結(jié)構(gòu)研究中至關(guān)重要，有助于精確分析和優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能。

原始文獻：

Yong Xie, Hailong Bai , Zhenghao Liu and Nanning Chen. “A Novel Bionic Structure Inspired by Luffa Sponge and Its Cushion Properties" [J]Appl. Sci. 2020, 10, 2584; doi:10.3390/app10072584

論文應用設(shè)備

本研究中所使用的Mirco CT設(shè)備是由奧影研發(fā)生產(chǎn)的高精度微納米CT成像系統(tǒng)——AX-2000CT，該系統(tǒng)專為高等教育和科研實驗環(huán)境設(shè)計，掃描精度高、速度快、應用范圍廣泛等特點。同時，它還支持升級原位加載掃描、光學放大物鏡耦合探測器成像等多種靈活配置，進一步豐富應用場景，為材料研發(fā)、3D打印、電子元件制造、地礦分析等領(lǐng)域，提供高效的無損數(shù)字成像技術(shù)支持。

奧影檢測科技（上海）有限公司是一家專注于研發(fā)、生產(chǎn)和銷售X射線工業(yè)CT產(chǎn)品的。公司總部位于上海，工廠位于寧波。奧影始終堅持精益求精的品質(zhì)和專業(yè)技術(shù)創(chuàng)新，致力于為客戶提供的工業(yè)CT系統(tǒng)解決方案。

作為行業(yè)的，奧影可提供全系列的工業(yè)CT類型產(chǎn)品。包括微焦點工業(yè)CT 、計量型高精度工業(yè)CT 、大型雙源雙探CT、高能加速器CT 、納米CT、在線式CT、原位加載CT、快速平板CT等，可廣泛應用于制造業(yè)、航空航天、汽車、電子、醫(yī)療、新能源、科研等行業(yè)領(lǐng)域。無論是無損檢測、材料分析、質(zhì)量控制還是產(chǎn)品設(shè)計，奧影工業(yè)CT產(chǎn)品都能滿足客戶的需求。

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