Ломая физику: исследователи создали плавучую конструкцию из титана

Исследователи из австралийского университета RMIT создали первый в мире плавающий материал на основе титана.

Сами они называют свою разработку “плавающим метаматериалом с открытой ячеистой решеткой из металлополимера”. Напечатанная на 3D-принтере структура способна удерживаться на воде, несмотря на то, что титан более чем в 4 раза плотнее воды.

Исследователи напечатали на 3D-принтере каркас из титанового сплава и оставили отдельные балки полыми. Они заполнили эти полые балки полиуретановой пеной. По результатам испытаний конструкция оставалась на плаву даже после появления трещин, разрушения мест соединений и полного разрушения решетчатой конструкции.

Такая плавучая и одновременно прочная конструкция может получить множество применений. Буи, плавучие датчики и различные объекты морской инфраструктуры должны выдерживать многочисленные удары волн и коррозионное воздействие соленой воды, не погружаясь под воду после получения повреждений.

Нержавеющая сталь и титан обеспечивают прочность и устойчивость к коррозии. При разработке исследователи использовали сплав Ti-6Al-4V с повышенной устойчивостью к воздействию морской воды. Однако его очевидным недостатком является плотность, составляющая около 4,43 г/см³ по сравнению с 1 г/см³ у пресной воды. Это означает, что конструкция будет тонуть.

Тем не менее принцип Архимеда гласит, что объект будет плавать, если вес вытесненной им воды уравновешивает его собственный вес. Именно поэтому корабль с корпусом из плотной стали будет плавать, поскольку полый корпус содержит большое количество воздуха. В качестве альтернативы можно добавить материалы с низкой плотностью, в частности, пенопласт, для улучшения плавучести.

Металлические решетки открывают ещё одну перспективу. 3D-печать позволяет превратить относительно небольшое количество металла в легкую конструкцию из сетки балок, которая будет обладать превосходным соотношением прочности к весу. Некоторые металлические решетки имеют видимую объемную плотность менее одной десятой плотности воды. Однако благодаря открытой структуре вода может проникать внутрь подобных конструкций.

При расчете массы решетки относительно ее внешнего объема пустоты учитываются как часть этого объема, однако когда вода заполняет эти пустоты, они больше не способствуют поддержанию плавучести, а наоборот тянут на дно.

Поэтому исследователи из RMIT разработали показатель под названием “плотность каркаса”, игнорирующий внешнее пространство и учитывающий только те части конструкции, которые не пропускают воду. Если плотность каркаса ниже плотности окружающей жидкости, конструкция будет сохранять плавучесть.

Исследователи создали простые кубические решетки из сплава Ti-6Al-4V, состоящие из массивов ячеек размером 4 × 4 × 4 по 10 мм. Вместо печати обычных цельных балок они напечатали полые стержни со стенками толщиной 0,2 мм и внутренними каналами диаметром от 2,5 до 4 мм. Структуры создавались с использованием лазерного спекания порошка, при котором лазер выборочно расплавлял последовательные слои титанового порошка, постепенно формируя сложную геометрическую форму.

Через взаимосвязанные каналы внутри титановых стержней впрыскивалась полиуретановая пена, которая расширялась. Пена постепенно заполняла полое пространство внутри стержней, оставляя открытыми большие промежутки между ними.

Под микроскопом пена образовывала плотно интегрированный интерфейс с шероховатыми внутренними титановыми стенками и содержала преимущественно закрытые ячейки размером от 10 до 200 мкм. Эти герметичные микроскопические пузырьки задерживают газ и не пропускают воду. В целом получается каркас, состоящий из крошечных заполненных пеной титановых трубок. Титан несет нагрузку и обеспечивает прочность, а пена — плавучесть.

Раньше пространство между балками в металлополимерных каркасах заполнялось эпоксидной смолой, инженерным пластиком или силиконом. Полученные структуры могли обладать полезными свойствами, включая гашение вибраций и терморегулирование, однако заполнение внутренних ячеек лишало эти решетки плавучести.

Пена также не повлияла на механические характеристики титана. По сравнению с аналогичными полыми решетками добавление полиуретана увеличило объемную плотность всего на 5,9–7,3%, незначительно повлияло на предел текучести, предел прочности на сжатие и жесткость. Конструкция продемонстрировала более высокую удельную прочность по сравнению с двумя традиционными морскими материалами — высокоплотным полиэтиленом и нержавеющей сталью 316L.

В ходе первых испытаний исследователи погружали несколько образцов в пресную воду на срок более 2 месяцев. Каждый незаполненный титановый каркас тонул из-за заполнения водой полых каналов. Заполненные пеной образцы вели себя так, как и предполагалось по результатам моделирования плотности каркаса. Образцы с плотностью каркаса выше плотности испытательной воды (0,997 г/см³) тонули, тогда как образцы с меньшей плотностью всплывали.

После этого исследователи начали разрушать образцы. Они сжимали образцы, а затем периодически снова погружали их в воду. Они продолжали плавать даже после превышения предельной прочности на сжатие, после разрушения отдельных узлов и даже после того, как трещины распространились достаточно далеко, чтобы разрушить целый слой решетки.

Только когда структуры были уже в основном раздавлены и уплотнились, они начали тонуть. В данном случае наиболее эффективной оказалась полиуретановая пена с закрытыми порами. Полностью полая титановая конструкция также могла бы плавать в случае герметизации воздуха внутри полостей, однако трещины позволили бы воде затопить последовательные каналы.

Исследователи также погрузили свою конструкцию в морскую воду из залива Порт-Филлип в Мельбурне на 2 недели. Материал сохранил плавучесть и потерял лишь около 0,15 % собственной массы и менее 1 % прочности.

В итоге ученые создали из материала прототип морского буя высотой 100 мм и шириной 85 мм. Он плавал в естественной морской воде, а турбулентный поток многократно поворачивал его под углом до 45°. В дальнейшем исследователи планируют масштабировать технологию для использования в конструкциях большего размера, а также доказать её долговечность в реальных условиях.

Они также рассматривают полую титановую раму в качестве более широкой платформы для применения материалов. Замена полиуретана на другой наполнитель позволит адаптировать ту же базовую архитектуру для поглощения энергии, гашения вибраций, управления тепловыми процессами или других применений.

Результаты исследования опубликованы в журнале  Advanced Materials

Источник: RMIT; New Atlas