Lengvesnis už plieną, tvirtesnis už tradicinius metalus. Tai ne prototipas, o tikras inžinerinis proveržis!

Kompozitinė metalinė puta (CMF) pasižymi išskirtiniu atsparumu pasikartojantiems apkrovimams net ir esant ekstremalioms temperatūroms – iki 400–600 °C. Šis atradimas atveria galimybes naudoti šią medžiagą varikliuose, turbinose, kosminiuose įrenginiuose ar branduoliniuose įrenginiuose, kur itin svarbus yra mažas svoris ir patvarumas aukštos temperatūros sąlygomis.

Lengvų, bet itin tvirtų medžiagų paieška jau dešimtmečius kelia iššūkių inžinieriams. Problema tampa dar sudėtingesnė, kai prie to prisideda ekstremalios temperatūros ir pasikartojantys apkrovimai – sąlygos, kuriose tradiciniai metalai greitai praranda savo savybes. Tačiau panašu, kad Šiaurės Karolinos valstybinio universiteto mokslininkų komanda pagaliau rado atsakymą į šį seną iššūkį.

Jų naujausi tyrimai atskleidė, atrodytų, paradoksalų reiškinį – kompozitinė metalinė puta (CMF) ekstremaliomis sąlygomis ne silpnėja, o, priešingai, stiprėja. Bandymų rezultatai pribloškia: medžiaga atlaikė daugiau nei 1,3 mln. apkrovos ciklų esant 400 °C ir per 1,2 mln. ciklų prie 600 °C, kol tyrėjai nutraukė eksperimentą ne dėl pačios putos pažeidimo, o dėl laiko apribojimų.

Tyrimams vadovavusi prof. Afsaneh Rabiei pabrėžia šių rezultatų svarbą:

„CMF turi daugybę patrauklių savybių, dėl kurių ji tinka plačiam pritaikymui. Tačiau jei norite naudoti šią medžiagą varikliuose, orlaivių dalyse ar bet kurioje kitoje srityje, kur veikia pasikartojantys apkrovimai ir aukšta temperatūra, būtina suprasti, kaip ji elgsis tokiomis sąlygomis.“

Palyginus su tradiciniu nerūdijančiu plienu, kuris praranda didžiąją dalį savo stiprumo kylant temperatūrai, CMF elgsena atrodo revoliucinga. Ši medžiaga veikia pagal visiškai kitus principus, atverdama naujas taikymo galimybes.

Neįtikėtina puta – daugybė pritaikymo sričių

Pati medžiaga sudaryta iš tuščiavidurių nerūdijančio plieno sferų, įterptų į 316L nerūdijančio plieno matricą. Šis iš pirmo žvilgsnio paprastas dizainas slepia itin sudėtingus atsparumo mechanizmus. Įdomu tai, kad CMF sveria vos 41 % tiek, kiek masyvus plienas, tačiau išlaiko puikias slėgio jėgų sugėrimo savybes. Jos šiluminės izoliacijos gebėjimai taip pat pranoksta įprastus metalus ir lydinius.

CMF išskirtinio atsparumo aukštoms temperatūroms paslaptis slypi reiškinyje, vadinamame dinaminiu deformaciniu sendinimu (DSA). Šis mechanizmas, būdingas 316L plienui 250–600 °C diapazone, CMF struktūroje yra dar labiau sustiprintas dėl unikalios jos architektūros. Esant 600 °C, mokslininkai pastebėjo papildomą mechanizmą – dvynėjimąsi, kuris rodo termiškai sužadintą ciklinio kietėjimo procesą.

Vis dėlto toje pačioje temperatūroje ima veikti ir medžiagą silpninantys veiksniai: terminis suminkštėjimas, dinaminis atkūrimas ir oksidacijos sukelti pažeidimai. Elektroninė mikroskopija atskleidė, kad pagrindinį vaidmenį medžiagos nuovargio deformacijose atlieka matricos poringumo susitraukimas ir su tuo susiję struktūriniai pokyčiai. Šis procesas vyksta visose tirtose temperatūrose ir lemia būdingas „dantytas“ deformacijas.

Kompozitinė metalinė puta gali iš esmės pakeisti daugelį pramonės šakų. Prof. Rabiei pabrėžia, kad tai itin svarbu tose srityse, kur įrangos gedimai gali kelti pavojų visuomenės saugumui:

„Tai svarbu bet kokiai taikymo sričiai, tačiau ypač ten, kur įrangos gedimas gali paveikti žmonių sveikatą ir saugumą – pavyzdžiui, reaktyvinių variklių mentėms, išmetimo kanalams ir sklendėms, turbinų mentėms, hipergarsinių orlaivių fiuzeliažams ar sparnų karštosioms briaunoms.“

Potencialių pritaikymo sričių sąrašas įspūdingas: automobilių ir orlaivių variklių komponentai, dujų ir garo turbinos, stabdžių sistemos dalys, branduolinių reaktorių kuro apvalkalai, transporto ir asmeniniai šarvai, pavojingų medžiagų gabenimo konteineriai. Dėl mažo svorio, tvirtumo ir puikių šilumos izoliacijos savybių CMF ypač tinka branduolinių, sprogstamųjų ar šilumai jautrių medžiagų saugojimui bei transportavimui.