Британские и немецкие ученые разработали материал из губчатого титан-алюминиевого сплава с керамическими сферами оксида алюминия. Новый материал почти в семь раз легче стали, выдерживает резку болгаркой и гидроабразивную резку, а при добавлении нихромового сплава выдерживает и сверление. Статья опубликована в журнале Scientific Reports.
В природе многие материалы обладают иерархической структурой на разных масштабах, чтобы противодействовать экстремальным нагрузкам. Например, грейпфрут не лопается после падения с высоты в десять метров за счет клеточной структуры с жестким каркасом, рыба Arapaima gigas выдерживает укус пираньи благодаря фанерной упаковке коллагена в чешуйках, а раковины морских ушек из кристаллов арагонита, скрепленных органической матрицей, в три тысячи раз прочнее, чем просто кристаллы арагонита.
Ученые тоже хотят получить прочные материалы с помощью подбора нужной морфологии на разных уровнях материала, но, в отличие от природы, могут использовать металлы, которые значительно упрочняются за счет локальных дефектов. Так, последнее время материаловеды значительно
в металлической 3D-печати, с помощью которой можно
самые сложные микроструктуры, однако нацеленность на повторяемость элементарной ячейки ограничивает область используемых веществ. Материалы с перестройкой формы считаются перспективными для экстремальных нагрузок при механическом воздействии, они могут значительно изменять морфологию в малом масштабе и возвращаться в исходное состояние после него — как и природные объекты. Одним из проявлений такой перестройки
конверсия подводимой механической энергии в локальные колебания материала.
Стефан Сцинисцевски (Stefan Szyniszewski) с коллегами из Университета Дюргейма и Фраунгоферского института создал новый композитный материал «Протей» из губчатого сплава титана-алюминия с керамическими сферами оксида алюминия. За упругость нового материала отвечает металлическая часть, а за твердость — керамическая. Такой материал восприимчив к внутренним колебаниям при локальных нагрузках и весит в семь раз меньше стали за счет пористой структуры.
Для получения материала порошки алюминия и гидрида титана нужно перемешать и подвергнуть холодной формовке, затем смесь нужно выдавить через экструдер и нарезать полученные стержни на небольшие части. Затем между стальными пластинами нужно выложить металлические цилиндры и сеть керамических сфер из оксида алюминия. После этого заготовку необходимо нагреть до 760 градусов Цельсия в течение 15-20 минут, за которое разлагается гидрид титана, а улетающий водород образует губчатую структуру между керамическими сферами.
Авторы статьи измерили зависимость механического напряжения от деформации и заметили, что небольшое напряжение насыщения при сравнении со сталью и большая сжимаемость структуры позволят механической энергии лучше рассеиваться при экстремальных нагрузках. Однако для защитных материалов важно и баллистическое сопротивление к точечным нагрузкам, которое в некоторых материалах достигается за счет керамики — оксида алюминия. В этой работе ученые решили отойти от привычного подхода к получению максимально твердого материала и при этом сосредоточиться на сопротивлении к реальным нагрузкам на материалы в бытовом применении, например, при нарезке болгаркой или сверлении дрелью.
«Протей» легко перенес резку болгаркой с диском с сапфировым напылением. За минуту диск стачивался с диаметра в 11,5 до 4,4 сантиметра и приходил в негодность — такой же диск прорезает сантиметровую сталь MARS 220 за 40 секунд. В случае с «Протеем» диск упирается в прочную керамическую структуру, из-за трения во всем материале возникают механические вибрации, приводящие к боковому стачиванию поверхности диска об губчатую составляющую и отшлифованный порошок оксида алюминия. При этом керамические сферы повышают свою прочность в зависимости от скорости воздействия.
Такой же эффект достигался и при сверлении — при достижении керамических сфер сверло стачивалось о «Протей». Однако если сверло не встречало на своем пути керамическую сферу, то с легкостью проникало через всю толщу материала. Чтобы упрочнить губчатую часть, ученые добавили нихромовый сплав, после которого весь объем материала стал более прочным и степень проникновения во всех испытаниях значительно уменьшилась.
Против гидроабразивной резки у нового материала нашелся другой способ сопротивления: струя воды рассеивалась на сферической поверхности керамики и «затуплялась», тем самым снижая свою скорость в пятьдесят раз.
Авторы уже готовят «Протей» к патентной регистрации и уверены, что он найдет множество применений от невскрываемых дверей или сейфов до защитной одежды промышленного пользования. В будущем они планируют ко всему прочему рассмотреть эффект упрочнения за счет перестройки структуры из-за нагрева материала от трения.
Неизвестно, прорубит ли «Протей» клинок из дамасской стали, но благодаря достижениям науки такой эксперимент можно будет провести, не беспокоясь о сохранности исторических клинков. Месяц назад немецкие материаловеды напечатали современный аналог дамасской стали на 3D-принтере, чередуя твердые и мягкие слои между собой — так сталь получилась даже прочнее.
Артем Моськин