Lżejsza od stali i twardsza od betonu. Niezwykłe właściwości nowego materiału
Opracowana przez badaczy kompozytowa pianka metalowa to materiał, który z wyglądu przypomina zwykły metal, lecz jego właściwości są zupełnie inne. Struktura tego tworzywa przywodzi na myśl gąbkę – metalową matrycę wypełniają tysiące pustych kulek, najczęściej wykonanych ze stali nierdzewnej lub niklu. To właśnie te puste przestrzenie sprawiają, że materiał jest wyjątkowo lekki, jednocześnie zachowując wytrzymałość przewyższającą litą stal.
Czytaj też: Kto wpadł na taki szalony pomysł? Nowa Toyota nie bierze jeńców
Zespół z North Carolina State University przez lata udoskonalał tę technologię. Kulminacją ich pracy był kluczowy test sprawdzający, czy pianka metalowa spełni rygorystyczne wymagania Departamentu Transportu USA dotyczące materiałów używanych do produkcji cystern kolejowych. Te standardy nie są przypadkowe, wszak cysterny przewożą kwasy, chemikalia, ropę naftową i skroplony gaz ziemny, czyli substancje, których wyciek może prowadzić do katastrofy ekologicznej.
Cysterny kolejowe odpowiadają za transport szerokiej gamy materiałów niebezpiecznych. Bezpieczeństwo tych cystern jest ważne, a Departament Transportu USA ma bardzo rygorystyczne wymagania testowe dla każdego materiału, który mógłby być użyty do ich produkcji – zauważa Afsaneh Rabiei, jeden z naukowców zaangażowanych w badania
Materiał posiada jeszcze jedną istotną cechę: doskonale radzi sobie z wysokimi temperaturami. Podczas gdy tradycyjna stal traci wytrzymałość w kontakcie z ogniem, kompozytowa pianka metalowa działa jak izolator, chroniąc zawartość cysterny przed przegrzaniem.
Test, który mógł zmienić podejście do bezpieczeństwa
Parametry eksperymentu zapowiadały się brutalnie. Wagon-taran o masie 136 ton – odpowiadającej wadze trzech ciężkich lokomotyw – wyposażono w stalowy wgłębiacz o średnicy 15 centymetrów. Pojazd rozpędzono do prędkości przekraczającej 8 kilometrów na godzinę. Przy takiej masie energia uderzenia osiągnęła 368 kilodżuli. Pierwszy test przeprowadzono dla porównania. Wgłębiacz uderzył w standardową płytę stalową używaną do produkcji cystern. Rezultat był przewidywalny – metal został rozerwany, a stalowy element przebił płytę na wylot, tworząc dziurę o poszarpanych krawędziach.
Następnie naukowcy przystąpili do właściwego eksperymentu. Przed stalową płytą umieścili warstwę kompozytowej pianki metalowej o grubości zaledwie 30 milimetrów. Wagon ruszył ponownie, nabierając prędkości. Nastąpiło uderzenie, lecz tym razem wynik był zaskakujący – wgłębiacz odbił się od powierzchni, pozostawiając jedynie niewielkie wgniecenie. Stalowa płyta zabezpieczona warstwą pianki pozostała nienaruszona. Dane liczbowe potwierdziły obserwacje. Specyficzna energia zaabsorbowana przez panel z kompozytowej pianki metalowej wyniosła 28,14 dżuli na gram. Dla porównania, płyta ze stali węglowej pochłonęła zaledwie 0,60 dżula na gram. Oznacza to, iż pianka metalowa przy ułamku wagi stali absorbuje dziesiątki razy więcej energii uderzenia.
Od transportu kolejowego po zastosowania specjalne
Choć transport kolejowy wydaje się naturalnym obszarem zastosowania, naukowcy dostrzegają potencjał kompozytowej pianki metalowej w wielu innych dziedzinach. W lotnictwie materiał mógłby znaleźć zastosowanie w konstrukcji skrzydeł samolotów – lżejsze maszyny oznaczałyby mniejsze zużycie paliwa i niższe emisje. W przemyśle obronnym pianka metalowa nadaje się do produkcji pancerzy pojazdów wojskowych i kamizelek kuloodpornych, oferując lepszą ochronę przy mniejszej wadze.
Czytaj też: Woda i oliwa wreszcie się połączyły. Naukowcy stworzyli materiał łączący elektronikę z żywymi tkankami
Istotną kwestią jest również przechowywanie materiałów niebezpiecznych. Materiały jądrowe, substancje wybuchowe czy chemikalia wrażliwe na temperaturę wymagają specjalnych pojemników. Kompozytowa pianka metalowa łączy odporność mechaniczną z doskonałą izolacją termiczną, co czyni ją potencjalnie idealnym rozwiązaniem dla tego typu zastosowań. Badacze opracowali również model obliczeniowy pozwalający precyzyjnie określić, jaka grubość warstwy pianki jest potrzebna do osiągnięcia pożądanego poziomu ochrony.
To oznacza, iż w wielu przypadkach możliwe będzie użycie jeszcze cieńszych warstw niż testowane w eksperymentach, co dodatkowo obniży wagę i koszty produkcji. Kompozytowa pianka metalowa zdała najtrudniejszy test z wynikiem, który jeszcze kilka lat temu wydawał się niemożliwy do osiągnięcia. Jeśli uda się pokonać bariery produkcyjne i cenowe, materiał może rzeczywiście poprawić bezpieczeństwo transportu niebezpiecznych ładunków.