Новый металлокомпозит: сверхпрочность и легкость при высоких температурах

Исследователи из Университета Торонто разработали инновационный композитный материал, поражающий своим сочетанием исключительной прочности и малого веса. Этот материал сохраняет свои выдающиеся характеристики даже при экстремальных температурах, достигающих 500 градусов Цельсия.

В основе нового материала лежит структура, вдохновленная армированным бетоном, но реализованная на микроскопическом уровне. Он состоит из разнообразных металлических сплавов и наночастиц, формирующих уникальную матрицу. Подобные свойства открывают широкие перспективы для его применения в аэрокосмической отрасли и других высокотехнологичных сферах, где требования к материалам особенно высоки.

«Стальная арматура является неотъемлемой частью строительной индустрии, повышая прочность бетона в зданиях и сооружениях», — отмечает старший автор исследования Юй Цзоу, профессор кафедры материаловедения и инженерии в Университете Торонто. «Современные технологии, такие как аддитивное производство, или 3D-печать металлом, позволили нам воспроизвести эту структуру в виде металлического композита. Этот подход открывает доступ к материалам с ранее невиданными свойствами».

Почему легкие материалы важны в авиации

Хотя сталь по-прежнему доминирует в производстве поездов и автомобилей, алюминий обладает существенными преимуществами в авиации благодаря своей легкости. Снижение веса компонентов при сохранении их прочности (легковесность) уменьшает потребляемую мощность, что, в свою очередь, повышает топливную эффективность. Это особенно критично в авиастроении, где каждый грамм имеет значение.

Однако алюминиевые сплавы имеют свои недостатки, как поясняет Чэньвэй Шао, ведущий автор исследования и научный сотрудник лаборатории Цзоу. «До настоящего времени алюминиевые компоненты демонстрировали снижение производительности при высоких температурах», — говорит Шао. «По сути, чем выше температура, тем ниже прочность, что делает их непригодными для многих применений».

Создание нового композитного материала

Для решения этой проблемы команда поставила цель создать композит из различных металлов, который бы имел структуру, аналогичную армированному бетону: каркас или сетка из стальной арматуры, окруженная матрицей из цемента, песка и наполнителя.

«В нашем материале «арматурой» служит сетка из титановых сплавов», — объясняет Шао. «Используя аддитивное производство, при котором металлический порошок спекается лазером, мы можем создавать эту сетку любого размера. Диаметр стержней может составлять всего 0,2 миллиметра».

Для заполнения пространства между стержнями была применена технология микролитья для создания матрицы из других элементов, таких как алюминий, кремний и магний. Эта матрица действует как цемент, скрепляя все компоненты.

Дополнительная прочность обеспечивается микрометровыми частицами оксида алюминия и наночастицами кремния, внедренными в «цементную» матрицу. Эти частицы аналогичны щебню или наполнителю в обычном бетоне.

Тестирование и производительность при высоких температурах

Команда провела серию испытаний для определения прочности нового материала. «При комнатной температуре максимальная предел текучести составил около 700 мегапаскалей, в то время как стандартная алюминиевая матрица показывает 100-150 мегапаскалей», — делится Шао. «Однако истинный потенциал раскрывается при высоких температурах. При 500 градусах Цельсия предел текучести составляет 300-400 мегапаскалей, в отличие от примерно пяти мегапаскалей для традиционной алюминиевой матрицы.

«Фактически, этот новый металлокомпозит демонстрирует характеристики, сравнимые со среднепрочными сталями, но при этом весит примерно в три раза меньше».

Способность материала сохранять свои свойства при таких высоких температурах оказалась неожиданной, что побудило команду создать детальные компьютерные модели для понимания лежащих в основе механизмов. «Мы обнаружили, что при высоких температурах этот композитный материал деформируется по другому механизму, отличному от большинства металлов», — говорит соавтор исследования Хуэйцон Чэнь, руководивший компьютерным моделированием. «Мы назвали этот новый механизм «усиленным двойникованием», и он позволяет материалу сохранять значительную часть своей прочности даже при сильном нагреве».

Перспективы промышленного применения

Цзоу отмечает, что, хотя до широкого внедрения нового материала в промышленности может пройти некоторое время, его разработка подчеркивает преимущества новых технологий, таких как аддитивное производство. «Без этого метода мы бы не смогли создать подобный материал», — утверждает он. «Действительно, стоимость производства таких материалов в промышленных масштабах пока высока, но существуют приложения, где их высокая производительность оправдает затраты. По мере увеличения инвестиций в передовые производственные технологии, стоимость будет постепенно снижаться.

«Мы считаем, что это значительный шаг вперед на пути к созданию более прочных, легких и эффективных транспортных средств».