Žemėn nusileido technologinė bomba: visi apstulbę

Mokslininkai sukūrė labai lengvą ir itin tvirtą medžiagą, kuri gali atlaikyti didelį karštį. Ši medžiaga galėtų būti naudinga aviacijos ir kosmoso bei kitose didelio našumo pramonės šakose. Toronto universiteto Inžinerijos universiteto tyrėjų sukurta medžiaga gali atlaikyti iki 500 °C  temperatūrą.

Nauja kompozicinė medžiaga pagaminta iš įvairių metalo lydinių ir nanoskalės nusodintuvų, o jos struktūra imituoja gelžbetonio struktūrą, tačiau mikroskopiniu mastu.

„Plieninė armatūra yra plačiai naudojama statybų pramonėje siekiant padidinti betono konstrukcijų tvirtumą pastatuose ir kituose dideliuose statiniuose“, – sako naujo tyrimo vyresnysis autorius profesorius Yu Zou.

„Naujos technologijos, tokios kaip priedinė gamyba, dar vadinama 3D metalo spausdinimu, dabar leido mums imituoti šią struktūrą metalo matricos kompozito pavidalu. Šis metodas suteikia mums naujų medžiagų su savybėmis, kurių dar niekada nematėme.“

Tyrėjai atskleidė, kad nors plienas vis dar yra pagrindinė konstrukcinė medžiaga traukiniuose ir automobiliuose, aliuminis turi tam tikrų pranašumų lėktuvuose dėl mažesnio svorio. Lengvesnis svoris – komponentų svorio sumažinimas išlaikant jų tvirtumą – reiškia, kad transporto priemonei judinti reikia mažiau energijos, o tai savo ruožtu pagerina degalų naudojimo efektyvumą. Tai ypač svarbu aviacijos ir kosmoso pramonėje, kur svarbus kiekvienas gramas.

Tačiau aliuminio lydiniai turi ir trūkumų, aiškino Chenwei Shao, Zou laboratorijos tyrėjas ir pagrindinis naujo straipsnio autorius.

Įvairių metalų kompozitas

„Iki šiol aliuminio komponentai aukštoje temperatūroje blogėjo dėl savo eksploatacinių savybių“, – sako Shao. „Iš esmės, kuo jie karštesni, tuo minkštesni, todėl daugeliu atvejų pritaikymui netinka.“

Norėdama išspręsti šią problemą, komanda siekė sukurti įvairių metalų kompozitą, kurio struktūra būtų tokia pati kaip gelžbetonio: narvas arba tinklelis, sudarytas iš plieninės armatūros, apsuptas cemento, smėlio ir užpildo matricos, teigiama pranešime spaudai.

„Mūsų medžiagoje „armatūra“ yra tinklelis, pagamintas iš titano lydinio atramų. Kadangi naudojame adityvinės gamybos metodą, kai lazeriais kaitiname metalo miltelius iki kieto metalo, galime pagaminti bet kokio norimo dydžio tinklelį. Atramos gali būti vos 0,2 milimetro skersmens“, – sakė Shao.

Norėdama užpildyti tarpus tarp šių atramų, komanda naudojo mikroliejimo techniką, kad sukurtų kitų elementų, tokių kaip aliuminis, silicis ir magnis, matricą. Ši matrica veikia kaip cementas, sulaikanti viską kartu. Papildomo stiprumo suteikia mikrometrų dydžio aliuminio oksido ir silicio nanoprecipitatų dalelės, įterptos į „cemento“ matricą, teigiama pranešime.

Komanda atliko įvairius naujos medžiagos bandymus

Šios dalelės labai panašios į betone randamą žvyrą arba užpildą. Tada komanda atliko įvairius naujos medžiagos bandymus, kad nustatytų jos stiprumą.

„Kambario temperatūroje didžiausias gautas takumo stipris buvo apie 700 megapaskalių; tipinės aliuminio matricos takumo stipris būtų apie 100–150 megapaskalių“, – sako Shao.

„Tačiau jo stiprioji pusė atsiskleidžia esant aukštai temperatūrai. Esant 500 °C, jo pasipriešinimas tempimui siekia 300–400 megapaskalių, palyginti su maždaug 5 megapaskaliais tradiciniam aliuminio matricoje. Iš tiesų, šis naujas metalinis kompozitas veikia maždaug taip pat gerai kaip vidutinio stiprumo plienai, bet sveria tik apie trečdalį jų svorio.“

Tyrimų komanda atskleidė, kad šios medžiagos gebėjimas atsispirti degradacijai tokioje aukštoje temperatūroje buvo stebinantis, todėl komanda sukūrė išsamius kompiuterinius modelius, kad suprastų, kas vyksta.

Įkvėpta visur esančių armatūros plieno gelžbetonio (RC) konstrukcijų, komanda sukūrė RC tipo aliuminio matricos kompozitų (AMC) seriją, integruodama priedinės gamybos ir mikroliejimo metodus. Toks RC-AMC, turintis didelę termotolerantiškų dalelių armatūros dalį, efektyviai sumažina stiprumo degradaciją iki 500 °C temperatūros, teigiama žurnale „Nature Communications“ paskelbtame tyrime.