Инженеры из Университета Торонто (U of T Engineering) представили материал, который, похоже, способен решить одну из старейших проблем авиастроения. Им удалось создать лёгкий и невероятно прочный сплав, не теряющий своих качеств даже при экстремальном нагреве.
Секрет успеха кроется в структуре, подсмотренной у обычного железобетона, но воспроизведённой на микроскопическом уровне. Подробности технологии и результаты тестов уже опубликованы в научном журнале Nature Communications.
Читайте: Прочнее стали – 10 самых твёрдых материалов для современной инженерии
Принцип «железобетона»
Речь идёт о новом металломатричном композите — классе материалов, где металлическая основа усилена внедрением другого вещества.
Разработка канадцев спокойно переживает температуры до 500 °C (932°F). По словам профессора Ю Цзоу, курировавшего исследование, идея лежала буквально на поверхности — в строительной индустрии.
«Мы посмотрели на то, как стальная арматура удерживает бетон в небоскрёбах, и решили повторить этот трюк, но уже с металлами, — рассказывает Цзоу. — Раньше подобное казалось невозможным, но с приходом аддитивных технологий, вроде 3D-печати металлом, у нас развязались руки. Получившийся в итоге композит обладает свойствами, которые до этого мы считали фантастикой».
Если в автомобилях до сих пор правит бал тяжёлая и надёжная сталь, то авиация молится на алюминий. Причина прозаична: вес. В аэрокосмической отрасли борьба идёт буквально за каждый грамм — чем меньше весит самолёт, тем меньше топлива нужно, чтобы поднять его в воздух. Это и есть классическая концепция «облегчения конструкций».
Преодоление «тепловой слабости»
Однако у алюминия есть своя ахиллесова пята. Ченвэй Шао, ведущий автор научной работы, объясняет суть проблемы просто – этот металл не выносит жара.
«Традиционные алюминиевые детали слабы перед высокими температурами, — поясняет учёный. — Чем сильнее их нагреваешь, тем мягче они становятся, что делает их абсолютно непригодными для узлов, работающих под нагрузкой».
Чтобы обойти это физическое ограничение, команда инженеров сконструировала композит, архитектура которого практически идентична железобетону:
- Сначала на 3D-принтере методом лазерного плавления печатается жёсткий каркас из титанового сплава. Это тончайшая решётка, где толщина стоек не превышает 0,2 мм.
- Затем пустоты заполняются расплавом из алюминия, магния и кремния. Для этого используется техника микролитья.
- Для финальной жёсткости в сплав добавляют крошечные, размером в микрометры, частицы оксида алюминия и нанопреципитаты.
Рекордные показатели материала
Когда материал отправили на испытательный стенд, цифры удивили даже самих создателей.
При комнатной температуре предел текучести — тот момент, когда деталь начинает необратимо деформироваться — достиг внушительных 700 мегапаскалей (МПа). Для понимания масштаба: обычные алюминиевые сплавы в таких условиях выдают скромные 100–150 МПа.
Но настоящий характер композит проявил в печи. Раскалённый до 500 °C, он сохранил прочность на уровне 300–400 МПа.
«Обычный алюминий в таких условиях превращается в пластилин с прочностью около 5 МПа, — сравнивает Шао. — Наш материал работает на равных со сталью средней прочности, но при этом весит втрое меньше».
Любопытно, что компьютерное моделирование вскрыло неожиданный механизм: феноменальная устойчивость к жару обеспечивается так называемым усиленным двойникованием кристаллической решётки.
Этот процесс, повышающий прочность, активируется именно при экстремальных температурах, словно у материала открывается второе дыхание.
Хочу первым узнавать о ТЕХНОЛОГИЯХ – ПОДПИСАТЬСЯ на Telegram
Читать свежие обзоры гаджетов на нашем сайте – TehnObzor.RU