Губчастий метал з керамічними сферами не піддався болгарці і дрилі

Британські та німецькі вчені розробили матеріал з губчастого титан-алюмінієвого сплаву з керамічними сферами оксиду алюмінію. Новий матеріал майже в сім разів легше сталі, витримує різання болгаркою і гідроабразивну різання, а при додаванні ніхромового сплаву витримує і звірення. Стаття опублікована в журналі.

У природі багато матеріалів мають ієрархічну структуру на різних масштабах, щоб протидіяти екстремальним навантаженням. Наприклад, грейпфрут не лопається після падіння з висоти в десять метрів за рахунок клітинної структури з жорстким каркасом, риба витримує укус піраньї завдяки фанерній упаковці колагену в чешуйках, а раковини морських вушок з кристалів арагоніту, скріплених органічною матрицею, в три тисячі разів міцніше, ніж просто кристали арагоніту.

Вчені теж хочуть отримати міцні матеріали за допомогою підбору потрібної морфології на різних рівнях матеріалу, але, на відміну від природи, можуть використовувати метали, які значно зміцнюються за рахунок локальних дефектів. Так, останнім часом матеріалознавці значно просунулися в металевій 3D-друку, за допомогою якої можна отримувати найскладніші мікроструктури, проте націленість на повторюваність елементарної комірки обмежує область використовуваних речовин. Матеріали з перебудовою форми вважаються перспективними для екстремальних навантажень при механічному впливі, вони можуть значно змінювати морфологію в малому масштабі і повертатися у вихідний стан після нього - як і природні об'єкти. Одним з проявів такої перебудови є конверсія підвідної механічної енергії в локальні коливання матеріалу.

Стефан Сцінісцевський (Stefan Szyniszewski) з колегами з Університету Дюргейма і Фраунгоферського інституту створив новий композитний матеріал «Протей» з губчастого сплаву титану-алюмінію з керамічними сферами оксиду алюмінію. За пружність нового матеріалу відповідає металева частина, а за твердість - керамічна. Такий матеріал сприйнятливий до внутрішніх коливань при локальних навантаженнях і важить у сім разів менше сталі за рахунок пористої структури.

Для отримання матеріалу порошки алюмінію і гідриду титану потрібно перемішати і піддати холодному формуванню, потім суміш потрібно видавити через екструдер і нарізати отримані стрижні на невеликі частини. Потім між сталевими пластинами потрібно викласти металеві циліндри і мережу керамічних сфер з оксиду алюмінію. Після цього заготівлю необхідно нагріти до 760 градусів Цельсія протягом 15-20 хвилин, за яке розкладається гідрид титану, а водень, що відлітає, утворює губчасту структуру між керамічними сферами.

Автори статті виміряли залежність механічної напруги від деформації і помітили, що невелика напруга насичення при порівнянні зі сталлю і велика стисканість структури дозволять механічній енергії краще розсіюватися при екстремальних навантаженнях. Однак для захисних матеріалів важливий і балістичний опір до точкових навантажень, який в деяких матеріалах досягається за рахунок кераміки - оксиду алюмінію. У цій роботі вчені вирішили відійти від звичного підходу до отримання максимально твердого матеріалу і при цьому зосередитися на опорі до реальних навантажень на матеріали в побутовому застосуванні, наприклад, при нарізці болгаркою або звіренні дреллю.

«Протей» легко переніс різання болгаркою з диском з сапфіровим напиленням. За хвилину диск сточувався з діаметра в 11,5 до 4,4 сантиметра і приходив в непридатність - такий же диск прорізає сантиметрову сталь MARS 220 за 40 секунд. У випадку з «Протеєм» диск впирається в міцну керамічну структуру, через тертя у всьому матеріалі виникають механічні вібрації, що призводять до бічного сточування поверхні диска об губчасту складову і відшліфований порошок оксиду алюмінію. При цьому керамічні сфери підвищують свою міцність залежно від швидкості впливу.

Такий же ефект досягався і при звіренні - при досягненні керамічних сфер сверло сточувалося про «Протей». Однак якщо зверло не зустрічало на своєму шляху керамічну сферу, то з легкістю проникало через всю товщу матеріалу. Щоб зміцнити губчасту частину, вчені додали ніхромовий сплав, після якого весь обсяг матеріалу став більш міцним і ступінь проникнення у всіх випробуваннях значно зменшилася.

Проти гідроабразивної різання у нового матеріалу знайшовся інший спосіб опору: струмінь води розсіювався на сферичній поверхні кераміки і «затуплявся», тим самим знижуючи свою швидкість у п'ятдесят разів.

Автори вже готують «Протей» до патентної реєстрації і впевнені, що він знайде безліч застосувань від невскриваних дверей або сейфів до захисного одягу промислового користування. У майбутньому вони планують до всього іншого розглянути ефект зміцнення за рахунок перебудови структури через нагрів матеріалу від тертя.

Невідомо, чи прорубає «Протей» клинок з дамаської сталі, але завдяки досягненням науки такий експеримент можна буде провести, не турбуючись про збереження історичних клинків. Місяць тому німецькі матеріалознавці надрукували сучасний аналог дамаської сталі на 3D-принтері, чергуючи тверді і м'які шари між собою - так сталь вийшла навіть міцнішою.