科學(xué)家利用AI創(chuàng)造出一種全新材料：堅(jiān)固如鋼輕如泡沫革新航空航天材料科學(xué)

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2025-02-11 12:34:05 新浪科技

科學(xué)家利用AI創(chuàng)造出一種全新材料：堅(jiān)固如鋼輕如泡沫革新航空航天材料科學(xué),！幾十年來，工程師們一直在尋找既輕便又堅(jiān)固的材料。如果一種材料能在減輕重量的同時(shí)不犧牲耐用性，那么它將變得非常有用,，特別是在航空航天行業(yè)，因?yàn)槊繙p輕一克重量都可以節(jié)省大量燃料并提高性能,。

鋁鈦合金是航空航天的傳統(tǒng)材料，它相對(duì)較輕且強(qiáng)度很高,，但也有局限性,。碳纖維的出現(xiàn)改變了游戲規(guī)則，但它并不耐磨,，無法像鋁鈦合金那樣用于航空發(fā)動(dòng)機(jī),。

為了開發(fā)和突破材料科學(xué)的極限，加拿大的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向了納米結(jié)構(gòu)材料,，在納米尺度上設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)以最大限度地提高材料強(qiáng)度并減輕重量,。他們從大自然中汲取靈感，模仿骨骼,、貝殼甚至蜂巢中的結(jié)構(gòu),。然而，設(shè)計(jì)這些結(jié)構(gòu)并非易事,，挑戰(zhàn)在于創(chuàng)建均勻分布應(yīng)力的幾何形狀,，避免可能開始失效的薄弱點(diǎn)。

為克服這些障礙，研究人員使用了貝葉斯優(yōu)化,，這是一種人工智能形式,，擅長(zhǎng)在無數(shù)選項(xiàng)中找到最佳設(shè)計(jì)。整個(gè)過程從算法生成數(shù)千種潛在設(shè)計(jì)開始,，每種設(shè)計(jì)都在虛擬環(huán)境中使用有限元分析進(jìn)行測(cè)試,。然后，算法改進(jìn)其設(shè)計(jì),，迭代出強(qiáng)度和剛度最大化,、重量最小化的結(jié)構(gòu)。

人工智能提供了一份優(yōu)化設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)短列表后,，該團(tuán)隊(duì)使用雙光子聚合技術(shù)（一種可以創(chuàng)建納米級(jí)精度結(jié)構(gòu)的3D打印技術(shù)）物理創(chuàng)建了所提出的材料,。利用這種技術(shù)，他們制造出由厚度僅為300至600納米的梁組成的晶格,，這些晶格（6.3x6.3x3.8毫米）由1875萬個(gè)單元組成,。隨后進(jìn)行熱解，通過在富氮環(huán)境中將聚合物加熱到900攝氏度將其轉(zhuǎn)化為玻璃碳,。

這些經(jīng)過人工智能優(yōu)化的納米晶格強(qiáng)度比以前的設(shè)計(jì)高出一倍以上,，可承受每立方米每千克密度2.03兆帕的壓力。換句話說,，它的強(qiáng)度比許多輕質(zhì)材料如鋁鈦合金，甚至是某些形式的碳纖維高出10倍以上,，比鈦高出約5倍,。

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