Żelbet w mikroskali. Tak naukowcy rozwiązali odwieczny problem
Inspiracja przyszła z nieoczywistego źródła, bo z budownictwa. Naukowcy postanowili odtworzyć strukturę żelbetu w mikroskali, używając jednak zupełnie innych komponentów niż w tradycyjnym budownictwie. Zamiast stalowych prętów i betonu, wykorzystali połączenie stopów metali.
Stalowe zbrojenie jest szeroko stosowane w budownictwie do poprawy wytrzymałości konstrukcyjnej betonu w budynkach i innych dużych konstrukcjach – tłumaczy autor badań, Yu Zou
Czytaj też: Nowy sarkofag zmienił warunki w Czarnobylu. Lawopodobne materiały zaczęły zachowywać się inaczej
W nowym materiale oznaczonego jako RC-AMC rolę zbrojenia pełni siatka z prętów ze stopu tytanu Ti6Al4V o średnicy zaledwie 0,2 milimetra. Przestrzenie między nimi wypełnia mieszanina aluminium, krzemu i magnezu, dodatkowo wzmocniona mikroskopijnymi cząstkami tlenku glinu oraz nanoprecypitatami krzemu. Kluczowym elementem sukcesu okazało się połączenie dwóch zaawansowanych technik produkcyjnych. Tytanową siatkę wytworzono metodą druku 3D z metalu, gdzie lasery precyzyjnie topią metalowy proszek, tworząc wymagane struktury. Następnie, poprzez mikroodlewanie, dodano aluminiową matrycę. Otrzymany kompozyt charakteryzuje się gęstością od 2,8 do 4,0 grama na centymetr sześcienny, co plasuje go między czystym aluminium a cięższymi tytanem i stalą.
Imponująca wytrzymałość w ekstremalnych warunkach
Wyniki testów mechanicznych prezentują się niesamowicie. W temperaturze pokojowej nowy kompozyt osiąga granicę plastyczności około 700 megapaskali, podczas gdy standardowe materiały aluminiowe rzadko przekraczają 150 MPa. Rekordowa zmierzona wytrzymałość na ściskanie sięgnęła 938 MPa. Prawdziwy test nastąpił jednak w wysokich temperaturach. Chenwei Shao, członek zespołu badawczego, wyjaśnia tradycyjne ograniczenia materiałów:
Do tej pory komponenty aluminiowe cierpiały na degradację wydajności w wysokich temperaturach. Zasadniczo, im gorętsze się stają, tym bardziej miękną, co czyni je nieodpowiednimi do wielu zastosowań
Przy 500 stopniach Celsjusza nowy materiał utrzymuje granicę plastyczności na poziomie 300-400 MPa. Dla porównania, tradycyjne materiały aluminiowe w tych samych warunkach tracą właściwości mechaniczne, spadając do zaledwie 5 MPa. To różnica sięgająca dwóch rzędów wielkości. Wytrzymałość właściwa osiąga 235 kiloniutonometrów na kilogram przy 400°C, co stanowi rekord wśród stopów i kompozytów na bazie aluminium. Wysokie temperatury zwykle osłabiają materiały metaliczne poprzez intensyfikację ruchu atomów, co prowadzi do utraty sztywności. RC-AMC zachowuje się inaczej dzięki zjawisku nazwanemu przez badaczy „wzmocnionym bliźniakowaniem termicznym”.
To, co odkryliśmy, to fakt, że w wysokich temperaturach ten materiał kompozytowy odkształca się za pomocą innego mechanizmu niż większość metali. Nazwaliśmy ten nowy mechanizm wzmocnionym bliźniakowaniem, a on pozwala materiałowi zachować dużą część swojej wytrzymałości, nawet gdy staje się bardzo gorący – relacjonuje Huicong Chen
Kluczową rolę odgrywa faza AlTi powstająca na granicy między tytanową siatką a aluminiową matrycą. W przeciwieństwie do większości materiałów, gdzie takie fazy osłabiają strukturę, tutaj działa to odwrotnie. Wraz ze wzrostem temperatury faza AlTi staje się bardziej aktywna i skuteczniej przeciwdziała odkształceniom.
Gdzie nowy materiał może znaleźć zastosowanie?
Przemysł lotniczy od lat poszukuje rozwiązań pozwalających zmniejszyć masę statków powietrznych bez utraty wytrzymałości. Każdy zaoszczędzony kilogram przekłada się na mniejsze zużycie paliwa, większy zasięg i niższe koszty operacyjne. W silnikach odrzutowych temperatury często przekraczają 400 stopni Celsjusza, co wymaga stosowania materiałów odpornych na ekstremalne warunki. RC-AMC, ważąc około jednej trzeciej stali średniej klasy przy zachowaniu porównywalnych parametrów wytrzymałościowych, otwiera możliwości zastosowań dotychczas niedostępnych dla kompozytów aluminiowych. Wyzwaniem pozostaje na razie koszt produkcji na dużą skalę.
Czytaj też: Materiał z większą liczbą konfiguracji niż atomów we wszechświecie. Przekracza granice wyobraźni naukowców
Zdaniem Zou istnieją nisze, w których wysoka wydajność usprawiedliwi początkowe koszty. W miarę jak coraz więcej firm inwestuje w zaawansowane metody wytwarzania, ceny powinny stopniowo spadać. Jeszcze dekadę temu druk 3D metalu był technologią niszową, dziś korzystają z niego nawet średniej wielkości przedsiębiorstwa. Nowy materiał może znaleźć zastosowanie nie tylko w lotnictwie. Przemysł motoryzacyjny, szczególnie w kontekście samochodów elektrycznych, poszukuje lżejszych komponentów. Energetyka, przemysł chemiczny, a nawet sport wyczynowy – wszędzie tam, gdzie liczy się połączenie lekkości i wytrzymałości w trudnych warunkach, RC-AMC może zaoferować nowe możliwości projektowe.
Pierwsze publikacje naukowe dotyczące kompozytu pokazują ogromny potencjał, choć nie gwarantują sukcesu rynkowego. Koszty produkcji pozostają na razie znaczącą barierą. Połączenie druku 3D metalu z mikroodlewaniem to technologia wymagająca specjalistycznego sprzętu i wykwalifikowanej kadry. W początkowym okresie nowy materiał prawdopodobnie znajdzie zastosowanie w sektorach, gdzie cena schodzi na dalszy plan wobec osiągów – jak lotnictwo wojskowe czy kosmonautyka.