Medžiagų inžinieriai dešimtmečiais bandė išspręsti dilemą, kuri atrodė beveik neįmanoma. Kaip sukurti medžiagą, kuri būtų tokia pat tvirta kaip plienas, bet kelis kartus lengvesnė ir dar išlaikytų savybes pragariškoje kaitroje. Iki šiol tekdavo rinktis kompromisą tarp svorio, stiprumo ar kainos.
Dabar „University of Toronto Engineering“ komanda pristatė sprendimą, galintį pakeisti žaidimo taisykles. Tyrėjai parodė, kad įmanoma suderinti mažą tankį ir labai didelę mechaninę atsparą. Naujoji medžiaga sveria apie trečdalį vidutinės klasės plieno, bet siekia panašų tvirtumo lygį.
Svarbiausia tai, kad ši medžiaga nepraranda stiprumo esant aukštoms temperatūroms. Anksčiau tokio tipo lengvieji metalai pernelyg suminkštėdavo karštyje, todėl būdavo netinkami sudėtingoms konstrukcijoms. Naujoji koncepcija rodo, kad galima sukurti lengvą kompozitą, kuris atlaiko ir žemą, ir labai aukštą temperatūrą.
Mikroskopinis gelžbetonis
Įkvėpimas atėjo iš statybų pasaulio, nes mokslininkai nusprendė atkartoti gelžbetonio logiką mikroskale. Tradiciniame gelžbetonyje plieninė armatūra sustiprina betoną, o panašus principas pritaikytas ir naujoje medžiagoje. Skirtumas tas, kad čia naudojami visai kiti metalų lydiniai.
Kompozite, pavadintame „RC AMC“, armatūros vaidmenį atlieka titano lydinio „Ti6Al4V“ strypelių tinklelis. Strypelių skersmuo tėra apie 0,2 milimetro, todėl struktūra primena labai smulkią grotelių sistemą. Tarpus užpildo aliuminio, silicio ir magnio mišinys, papildomai sutvirtintas aliuminio oksido dalelėmis ir silicio nanodariniais.
Gamybos sėkmę nulėmė dviejų technologijų derinys. Titano tinklelis buvo suformuotas metalo 3D spausdinimu, kai lazeriai išlydo miltelius ir kuria reikalingą geometriją. Vėliau mikro liejimu įterpta aliuminio matrica, todėl gautas vientisas ir labai tvirtas kompozitas.
Rekordinis stiprumas karštyje
Bandymuose kambario temperatūroje kompozito plastiškumo riba siekė apie 700 megapaskalių, kai įprasti aliuminio lydiniai dažniausiai nesiekia nė 150 megapaskalių. Suspaudimo stipris pakilo iki 938 megapaskalių, tad tai jau plienui artimi skaičiai. Dar įspūdingiau, kad esant 500 laipsnių Celsijaus kaitrai medžiaga išlaikė 300 iki 400 megapaskalių ribą.
Įprastas aliuminis tokiomis sąlygomis praktiškai praranda tvirtumą ir nukrenta iki kelių megapaskalių. Tyrėjai šį stabilumą aiškina nauju deformacijos mechanizmu, kurį vadina sustiprintu terminiu dvyniavimusi. Jis leidžia struktūrai išlikti standžiai net tada, kai metalai paprastai minkštėja.
Pritaikymo kryptys
Didžiausias potencialas matomas aviacijoje, kur kiekvienas sutaupytas kilogramas mažina degalų sąnaudas ir didina nuotolį. Reaktyviniuose varikliuose temperatūros dažnai viršija 400 laipsnių, todėl lengvas ir karščiui atsparus kompozitas galėtų tapti rimtu proveržiu. Tačiau kol kas kliūtis yra gamybos kaina, nes 3D spausdinimas ir mikro liejimas reikalauja brangios įrangos.
Vis dėlto mokslininkai mano, kad atsiras nišų, kuriose našumas pateisins investicijas. Be aviacijos, medžiaga gali būti naudinga automobilių pramonėje, ypač elektriniuose modeliuose, energetikoje, chemijos įrenginiuose ar net sporto technikoje. Pirmieji tyrimai rodo didelį potencialą, o rinka priklausys nuo to, kaip greitai technologija atpigs.
