Переохолоджений метал допоміг композиту збільшити жорсткість при деформації

Американські інженери створили композитний матеріал, який при вигині збільшує свою жорсткість в чотири рази. Зроблену з нього гнучку пластину можна перетворити на тривимірну структуру, яка витримує вагу, що в 50 разів перевершує її власну. Ефект заснований на кристалізації переохолодженого металу, і тому таке ствердування незворотне, пишуть вчені в.

Матеріали, які у відповідь на зовнішній вплив різко змінюють свої механічні властивості (стають пружними, пластичними або, навпаки, ствердівають, приймаючи потрібну форму), можуть використовуватися в медичних цілях, для створення захисних елементів різних сенсорів або, наприклад, для 3d-друку. Зазвичай різка зміна стану таких матеріалів відбувається у відповідь на зовнішній вплив (наприклад, нагрів, опромінення або зовнішнє поле) або в результаті хімічних реакцій.

Інженери з Університету штату Айова під керівництвом Майкла Бартлетта (Michael Bartlett) і Мартіна Туо (Martin Thuo) розробили композитний матеріал, який різко збільшує свою жорсткість у відповідь на механічний вплив: він затвердіває, якщо його вигнути або скрутити в спіраль. Композит складається зі сферичних переохолоджених металевих мікрочастинок розміром від 1 до 20 мікрометрів. Кожна з частинок складається з двох фаз: внутрішнє ядро з переохолодженого рідкого сплаву Філда покрито твердою оболонкою з його оксиду. Для отримання кінцевого композитного матеріалу ці частинки поміщають у пругу силіконову матрицю.

Оскільки рідкі металеві частинки знаходяться в метастабільному стані, при зовнішньому навантаженні зовнішній оксидний шар руйнується, мікрокаплі рідкого металу зливається один з одним і затвердівають. Це призводить до утворення досить великих за розміром довготривалих мікроосвіт, які фіксують деформовану структуру.

У результаті деформації модуль Юнга такого матеріалу, що містить 30 об'ємних відсотків металу, збільшується в чотири рази: з 20 до 80 мегапаскалей. Таким чином з спочатку гнучкої пластини можна отримати жорстку тривимірну структуру. І якщо механічні властивості початкової структури визначалися швидше параметрами упругої силіконової матриці, то в кінцевому стані властивості композиту більше залежать від пружних властивостей металевих утворень, в результаті чого вигнута пластина легко може утримувати вагу, що в 50 разів перевершує її власну.

За словами авторів роботи, механічні властивості композиту залежать від об'ємної частки металу. Наприклад, для матеріалу, в якому обсяг металевих частинок і матриці був приблизно однаковим, максимальне напруження, при якому відбувається збільшення модуля Юнга, склало тільки 33 мегапаскалі (воно призвело до деформації приблизно в 30 відсотків), при великих тисках модуль Юнга починає падати через руйнування матеріалу. Саме зміну об'ємної частки частинок та їх розміру дослідники пропонують використовувати для налаштування властивостей композиту.

Інженери відзначають, що запропонований ними матеріал для відгуку на зовнішній вплив не вимагає зовнішніх джерел енергії, і при цьому не використовує хімічних реакцій. Зміна його властивостей викликана релаксацією до термодинамічно стійкого стану.

Незважаючи на досить простий механізм ствердування композиту, основна складність полягає в його отриманні - зафіксувати металеві частинки в метастабільному переохолодженому стані досить непросто. Проте авторам роботи вдалося знайти досить простий спосіб, при якому потрібні частинки утворюються при обертанні в нагрітому до 145 градусів Цельсія органічному розчиннику зі швидкістю в 22 тисячі обертів на хвилину. У результаті окислення на поверхні частинок формується потрібна структура з переохолодженим металом всередині і твердою оксидною оболонкою зовні.

Вчені відзначають, що через те, що властивості композиту засновані саме на суто фізичному механізмі і вимагають тільки фіксації метастабільного переохолодженого стану, то подібний композит можна отримати на основі інших легкоплавких металів.

Крім переохолоджених рідин, при зовнішньому механічному впливі можуть затвердіти, наприклад, неньютонівські рідини. Однак на відміну від переохолодженої рідини, в цьому випадку не відбувається як такого фазового переходу, але через нелінійний відгук на зовнішній вплив сильно змінюється в'язкість. Такий ефект деякі розробники пропонують використовувати для створення легких бронежилетів, які менше обмежують руху людини і затвердівають тільки при попаданні в неї кулі.