Poszukiwanie materiałów, które łączą lekkość z niezwykłą wytrzymałością, to od dziesięcioleci prawdziwe wyzwanie dla inżynierów. Problem staje się jeszcze bardziej złożony, gdy do równania dodamy ekstremalne temperatury i powtarzające się obciążenia – warunki, w których tradycyjne metale szybko tracą swoje właściwości. Wygląda jednak na to, że zespół z North Carolina State University może mieć wreszcie odpowiedź na to odwieczne wyzwanie.
Czytaj też: Czas na budynki z kartonu. Nowy materiał osiąga niesamowite liczby
Ich najnowsze badania pokazują coś, co wydaje się sprzeczne z intuicją – kompozytowa pianka metalowa (CMF) zamiast słabnąć w ekstremalnych warunkach, zdaje się zyskiwać na odporności. Wyniki testów brzmią niemal niewiarygodnie: materiał wytrzymał ponad 1,3 mln cykli obciążenia przy 400oC i ponad 1,2 miliona przy 600oC, zanim naukowcy przerwali eksperyment z powodu ograniczeń czasowych, a nie z powodu uszkodzenia samej pianki.
Prof. Afsaneh Rabiei, która kierowała badaniami, podkreśla znaczenie tych odkryć:
CMF ma wiele atrakcyjnych właściwości, które czynią go atrakcyjnym dla szerokiego zakresu zastosowań. Ale jeśli chcesz używać materiału w silnikach, częściach samolotów lub w jakiejkolwiek aplikacji związanej z powtarzającym się obciążeniem i wysokimi temperaturami, musisz wiedzieć, jak materiał będzie się zachowywał.
Gdy porównamy to z tradycyjną stalą nierdzewną, która traci znaczną część wytrzymałości wraz ze wzrostem temperatury, zachowanie CMF wydaje się wręcz rewolucyjne. Ten materiał działa na zupełnie innych zasadach, co otwiera nowe możliwości aplikacyjne.
Niesamowita pianka, szereg zastosowań
Sam materiał składa się z pustych sfer ze stali nierdzewnej osadzonych w matrycy ze stali nierdzewnej 316L. Ta pozornie prosta konstrukcja kryje w sobie zaawansowane mechanizmy odpornościowe. Co ciekawe, materiał waży zaledwie 41 proc. masy litej stali, zachowując przy tym wyjątkową zdolność do pochłaniania sił ściskających. Jego właściwości izolacji termicznej również przewyższają konwencjonalne metale i stopy.
Czytaj też: Zmodyfikowali materiał i dali mu niebywałe właściwości. Zachowuje się jak nie z tego świata
Sekretem niezwykłej odporności CMF w wysokich temperaturach jest zjawisko znane jako dynamiczne starzenie odkształceniowe (DSA). Ten mechanizm, normalnie aktywny w stali 316L w zakresie od ok. 250 do 600oC, zostaje wzmocniony przez unikalną architekturę kompozytowej pianki. Przy 600oC naukowcy zaobserwowali dodatkowy mechanizm – bliźniakowanie, które sugeruje termicznie wspomagany proces utwardzania cyklicznego.
Niestety, w tej samej temperaturze zaczynają działać czynniki degradujące materiał: zmiękczenie termiczne, dynamiczne zdrowienie i uszkodzenia wywołane utlenianiem. Mikroskopia elektronowa ujawniła, że kluczową rolę w odkształceniach zmęczeniowych odgrywa zapadanie się porowatości matrycy i związane z tym zmiany strukturalne. Ten proces występuje we wszystkich badanych temperaturach i przyczynia się do charakterystycznych “ząbkowanych” odkształceń materiału.
Kompozytowa pianka metalowa może zrewolucjonizować wiele branż. Prof. Rabiei wymienia obszary, gdzie awaria sprzętu może wpłynąć na bezpieczeństwo publiczne:
Jest to ważne dla każdej aplikacji, ale szczególnie wtedy, gdy awaria sprzętu może wpłynąć na zdrowie i bezpieczeństwo publiczne, takie jak łopatki silników odrzutowych, kanały i klapy wydechowe; łopatki turbin; płatowce pojazdów hipersonicznych i gorące krawędzie spływu skrzydeł.
Lista potencjalnych zastosowań jest naprawdę imponująca i obejmuje komponenty silników samochodowych i lotniczych, turbiny gazowe i parowe, elementy układów hamulcowych, koszulki paliwowe reaktorów jądrowych, pancerze pojazdów i osobiste oraz transport materiałów niebezpiecznych. Połączenie lekkości, wytrzymałości i izolacji termicznej czyni CMF szczególnie obiecującym materiałem do przechowywania i transportu materiałów jądrowych, wybuchowych i innych substancji wrażliwych na ciepło.