Британские и немецкие ученые разработали материал из губчатого титан-алюминиевого сплава с керамическими сферами оксида алюминия. Новый материал почти в семь раз легче стали, выдерживает резку болгаркой и гидроабразивную резку, а при добавлении нихромового сплава выдерживает и сверление. Статья опубликована в журнале Scientific Reports.

снимок внутренней структуры материала после попыток его разрезать
снимок внутренней структуры материала после попыток его разрезать

В природе многие материалы обладают иерархической структурой на разных масштабах, чтобы противодействовать экстремальным нагрузкам. Например, грейпфрут не лопается после падения с высоты в десять метров за счет клеточной структуры с жестким каркасом, рыба Arapaima gigas выдерживает укус пираньи благодаря фанерной упаковке коллагена в чешуйках, а раковины морских ушек из кристаллов арагонита, скрепленных органической матрицей, в три тысячи раз прочнее, чем просто кристаллы арагонита.

Ученые тоже хотят получить прочные материалы с помощью подбора нужной морфологии на разных уровнях материала, но, в отличие от природы, могут использовать металлы, которые значительно упрочняются за счет локальных дефектов. Так, последнее время материаловеды значительно продвинулись в металлической 3D-печати, с помощью которой можно получать самые сложные микроструктуры, однако нацеленность на повторяемость элементарной ячейки ограничивает область используемых веществ. Материалы с перестройкой формы считаются перспективными для экстремальных нагрузок при механическом воздействии, они могут значительно изменять морфологию в малом масштабе и возвращаться в исходное состояние после него — как и природные объекты. Одним из проявлений такой перестройки является конверсия подводимой механической энергии в локальные колебания материала.

Стефан Сцинисцевски (Stefan Szyniszewski) с коллегами из Университета Дюргейма и Фраунгоферского института создал новый композитный материал «Протей» из губчатого сплава титана-алюминия с керамическими сферами оксида алюминия. За упругость нового материала отвечает металлическая часть, а за твердость — керамическая. Такой материал восприимчив к внутренним колебаниям при локальных нагрузках и весит в семь раз меньше стали за счет пористой структуры.

Для получения материала порошки алюминия и гидрида титана нужно перемешать и подвергнуть холодной формовке, затем смесь нужно выдавить через экструдер и нарезать полученные стержни на небольшие части. Затем между стальными пластинами нужно выложить металлические цилиндры и сеть керамических сфер из оксида алюминия. После этого заготовку необходимо нагреть до 760 градусов Цельсия в течение 15-20 минут, за которое разлагается гидрид титана, а улетающий водород образует губчатую структуру между керамическими сферами.

Процесс изготовления материала
Процесс изготовления материала

Авторы статьи измерили зависимость механического напряжения от деформации и заметили, что небольшое напряжение насыщения при сравнении со сталью и большая сжимаемость структуры позволят механической энергии лучше рассеиваться при экстремальных нагрузках. Однако для защитных материалов важно и баллистическое сопротивление к точечным нагрузкам, которое в некоторых материалах достигается за счет керамики — оксида алюминия. В этой работе ученые решили отойти от привычного подхода к получению максимально твердого материала и при этом сосредоточиться на сопротивлении к реальным нагрузкам на материалы в бытовом применении, например, при нарезке болгаркой или сверлении дрелью.

График зависимости механического напряжения от деформации
График зависимости механического напряжения от деформации
Компьютерная томограмма полученного материала
Компьютерная томограмма полученного материала
Приближенный участок с керамическими сферами
Приближенный участок с керамическими сферами

«Протей» легко перенес резку болгаркой с диском с сапфировым напылением. За минуту диск стачивался с диаметра в 11,5 до 4,4 сантиметра и приходил в негодность — такой же диск прорезает сантиметровую сталь MARS 220 за 40 секунд. В случае с «Протеем» диск упирается в прочную керамическую структуру, из-за трения во всем материале возникают механические вибрации, приводящие к боковому стачиванию поверхности диска об губчатую составляющую и отшлифованный порошок оксида алюминия. При этом керамические сферы повышают свою прочность в зависимости от скорости воздействия.

Электронная микрофотография среза материала при внедрении нихрома (вытнутые нити)
Электронная микрофотография среза материала при внедрении нихрома (вытнутые нити)
Электронная микрофотография пропила болгаркой
Электронная микрофотография пропила болгаркой
Компьютерная томограмма разных пропиленных участков
Компьютерная томограмма разных пропиленных участков
шлифовальный круг до и после работы с материалом
шлифовальный круг до и после работы с материалом

Такой же эффект достигался и при сверлении — при достижении керамических сфер сверло стачивалось о «Протей». Однако если сверло не встречало на своем пути керамическую сферу, то с легкостью проникало через всю толщу материала. Чтобы упрочнить губчатую часть, ученые добавили нихромовый сплав, после которого весь объем материал стал более прочным и степень проникновения во всех испытаниях значительно уменьшилась.

Против гидроабразивной резки у нового материала нашелся другой способ сопротивления: струя воды рассеивалась на сферической поверхности керамики и «затуплялась», тем самым снижая свою скорость в пятьдесят раз.

Внешний вид цилиндра после минуты прорезания водным резаком - струя значительно затормозилась о керамические сферы
Внешний вид цилиндра после минуты прорезания водным резаком - струя значительно затормозилась о керамические сферы

Авторы уже готовят «Протей» к патентной регистрации и уверены, что он найдет множество применений от невскрываемых дверей или сейфов до защитной одежды промышленного пользования. В будущем они планируют ко всему прочему рассмотреть эффект упрочнения за счет перестройки структуры из-за нагрева материала от трения.