Materiālzinātnieki gadu desmitiem ir centušies atrisināt šķietami neiespējamu dilemmu: kā izveidot materiālu, kas būtu tikpat izturīgs kā tērauds, taču vairākas reizes vieglāks un saglabātu savas īpašības arī ekstremāli augstā temperatūrā. Līdz šim vienmēr nācās samierināties ar kompromisu starp svaru, izturību vai cenu.
Tagad Toronto Universitātes inženieru komanda nākusi klajā ar risinājumu, kas varētu būtiski mainīt visu nozari. Pētnieki pierādījuši, ka iespējams apvienot ļoti mazu blīvumu ar ļoti augstu mehānisko izturību. Jaunais materiāls sver aptuveni trešdaļu no parasta konstrukciju tērauda masas, tomēr sasniedz līdzīgu stiprības līmeni.
Vēl nozīmīgāk ir tas, ka materiāls nezaudē savu izturību augstā temperatūrā. Līdz šim šāda tipa vieglie metāli karstumā pārāk mīkstinājās un nebija piemēroti sarežģītām nesošajām konstrukcijām. Jaunā koncepcija parāda, ka iespējams radīt vieglu kompozītmateriālu, kas iztur gan ļoti zemas, gan ļoti augstas temperatūras.
Jums varētu patikt šie:
Mikroskopisks dzelzsbetons
Idejas pamatā ir iedvesma no būvniecības – zinātnieki nolēma mikroskopiskā līmenī atdarināt dzelzsbetona loģiku. Tradicionālajā dzelzsbetonā betona izturību nodrošina tērauda armatūra. Tieši šis princips pielietots arī jaunajā materiālā, taču izmantoti pavisam cita veida metāla sakausējumi.
Kompozītmateriālā, kas nosaukts par „RC AMC”, armatūras funkciju veic titāna sakausējums Ti6Al4V, kas veidots kā smalks stieņu tīklojums. Šo stienīšu diametrs ir tikai apmēram 0,2 milimetri, tāpēc struktūra atgādina ļoti smalku režģi. Tukšumus aizpilda alumīnija, silīcija un magnija sakausējums, kuru papildus nostiprina alumīnija oksīda daļiņas un silīcija nanostruktūras.
Panākumu atslēga bija divu ražošanas tehnoloģiju apvienošana. Titāna režģi izveidoja, izmantojot metāla 3D printēšanu, kur lāzeri kausē metāla pulveri un uzbūvē vēlamo ģeometriju. Pēc tam ar mikroliešanas tehnoloģiju režģī ievadīja alumīnija bāzes matricu, iegūstot vienotu un izcili izturīgu kompozītmateriālu.
Rekordliela izturība karstumā
Pārbaudēs istabas temperatūrā kompozīta plūdības robeža sasniedza apmēram 700 megapaskālus, kamēr ierastie alumīnija sakausējumi parasti nepārsniedz 150 megapaskālus. Spiedes izturība pieauga līdz 938 megapaskāliem, kas jau ir salīdzināms ar tērauda līmeni. Vēl iespaidīgāks ir fakts, ka 500 °C temperatūrā materiāls saglabāja 300–400 megapaskālu lielu izturību.
Parasts alumīnijs šādos apstākļos gandrīz pilnībā zaudē nestspēju un tā izturība krītas līdz dažiem megapaskāliem. Pētnieku ieskatā stabilitāti nodrošina jauns deformācijas mehānisms, ko viņi dēvē par pastiprinātu termisko tvīnošanos. Tas ļauj struktūrai saglabāt stingrību arī tad, kad metāli parasti kļūst mīksti.
Jums varētu patikt šie:
Iespējamie pielietojumi
Vislielākais potenciāls paveras aviācijas nozarē, kur katrs ietaupītais kilograms samazina degvielas patēriņu un palielina lidojuma distanci. Reaktīvajos dzinējos temperatūra bieži pārsniedz 400 grādus, tāpēc viegls un karstumizturīgs kompozīts varētu kļūt par nozīmīgu tehnoloģisku izrāvienu.
Pašlaik izplatību ierobežo augstās ražošanas izmaksas, jo 3D printēšana un mikroliešana prasa dārgu aprīkojumu un sarežģītu procesu. Tomēr zinātnieki uzskata, ka izveidosies nišas, kur uzlabotā veiktspēja attaisnos ieguldījumus.
Bez aviācijas jaunais materiāls varētu būt noderīgs arī autonozares vajadzībām (īpaši elektrotransportā), enerģētikā, ķīmiskās rūpniecības iekārtās, kā arī sporta aprīkojumā. Sākotnējie pētījumi apliecina ļoti lielu potenciālu, un materiāla plašāka ieviešana būs atkarīga no tā, cik ātri šī tehnoloģija kļūs lētāka un pieejamāka.
