Ламаючи фізику: дослідники створили плавучу конструкцію з титану

Дослідники з австралійського університету RMIT створили перший у світі плавучий матеріал на основі титану.

Самі вони називають власну розробку “плавучим метаматеріалом з відкритою комірчастою ґраткою з метал-полімеру”. Надрукована на 3D-принтері структура здатна утримуватись на воді попри те, що титан у понад 4 рази щільніший за воду.

Дослідники надрукували на 3D-принтері каркас з титанового сплаву й залишили окремі балки порожнистими. Вони заповнили ці порожнисті балки поліуретановою піною. За результатами випробувань структура залишалась на плаву навіть після утворення тріщин, руйнування місць з’єднань та повного руйнування ґратчастої структури.

Така плавуча й одночасно міцна структура може отримати безліч застосувань. Буї, плавучі датчики та різні об’єкти морської інфраструктури мають витримувати численні удари хвиль та корозійний вплив солоної води, не занурюючись під воду після отримання пошкоджень.

Нержавіюча сталь та титан забезпечують міцність та стійкість до корозії. У розробці дослідники використовували сплав Ti-6Al-4V з підвищеною стійкістю до морської води. Однак його очевидним недоліком є щільність, яка становить близько 4,43 г/см³ порівняно зі 1 г/см³ в прісної води. Це означатиме, що конструкція тонутиме.

Проте принцип Архімеда передбачає, що об’єкт плаватиме, якщо вага витісненої ним води врівноважуватиме його власну вагу. Саме тому корабель з корпусом з щільної сталі плаватиме, оскільки порожнистий корпус містить велику кількість повітря. Як альтернатива можуть бути додані матеріали з низькою щільністю, зокрема, пінопласт для покращення плавучості.

Металеві ґратки пропонують ще одну перспективу. 3D-друк дозволяє перетворити відносно невелику кількість металу у легку конструкцію з мережі балок, яка матиме чудове співвідношення міцності до ваги. Деякі металеві ґратки мають видиму об’ємну щільність менш як одна десята щільності води. Однак через відкриту структуру вода здатна проникати всередину подібних конструкцій.

Під час розрахунку маси ґратки відносно її зовнішнього об’єму порожнисті простори враховуються як частина цього об’єму, однак коли вода заповнює ці порожнини, вони більше не допомагають підтримувати плавучість, а навпаки тягнуть на дно.

Тому дослідники з RMIT розробили показник під назвою “щільність каркаса”, що ігнорує зовнішній простір й враховує лише ті частини конструкції, які не пропускають воду. Якщо щільність каркаса нижче щільності навколишньої рідини, конструкція зберігатиме плавучість.

Дослідники створили прості кубічні ґратки зі сплаву Ti-6Al-4V, що складались з масивів комірок розміром 4 х 4 х 4 по 10 мм. Замість друку звичайних цільних балок вони надрукували порожнисті стрижні зі стінками завтовшки 0,2 мм та внутрішніми каналами діаметром від 2,5 до 4 мм. Структури створювались з використанням лазерного спікання порошку, за якого лазер вибірково розплавляв послідовні шари титанового порошку, поступово створюючи складну геометричну форму.

Через взаємопов’язані канали всередині титанових стрижнів впорскувалась поліуретанова піна, яка розширювалась. Піна поступово заповнювала порожнистий простір всередині стрижнів, а великі проміжки між ними залишаючи відкритими.

Під мікроскопом піна утворювала щільно інтегрований інтерфейс з шорсткими внутрішніми титановими стінками й містила переважно закриті комірки розміром від 10 до 200 мкм. Ці герметичні мікроскопічні бульбашки затримують газ й не пропускають воду. Загалом виходить каркас, що складається з крихітних заповнених піною титанових трубок. Титан несе навантаження й забезпечує міцність, а піна — плавучість.

До цього простір між балками у метал-полімерних каркасах заповнювався епоксидною смолою, інженерним пластиком або силіконом. Отримані структури могли мати корисні властивості, включно з гасінням вібрацій та терморегулюванням, однак заповнення внутрішніх осередків позбавляло ці ґратки плавучості.

Піна також не вплинула на механічні характеристики титану. Порівняно з аналогічними порожнистими ґратками, додавання поліуретану збільшило об’ємну щільність усього на 5,9–7,3%, незначно вплинуло на межу плинності, межу міцності на стиснення та жорсткість. Структура продемонструвала вищу питому міцність порівняно з двома традиційними морськими матеріалами — високощільним поліетиленом та нержавіючою сталлю 316L.

Під час перших випробувань дослідники занурювали кілька зразків у прісну воду на понад 2 місяці. Кожний незаповнений титановий каркас тонув внаслідок заповнення водою порожнистих каналів. Заповнені піною зразки поводились так, як передбачалось за результатами моделювання щільності каркаса. Зразки зі щільністю каркаса вищою за щільність тестової води (0,997 г/см³), тонули, тоді як зразки з меншою щільністю спливали.

Після цього дослідники почали руйнувати зразки. Вони стискали зразки, а потім періодично знову занурювали їх у воду. Вони продовжували плавати навіть після перевищення граничної міцності на стиснення, після руйнування окремих вузлів і навіть після того, як тріщини поширювалися досить далеко, щоб зруйнувати цілий шар ґратки.

Тільки коли структури були вже переважно розчавлені й ущільнились, вони почали тонути. У цьому випадку найбільш ефективною виявилась поліуретанова піна з закритими комірками. Повністю порожниста титанова конструкція також могла б плавати у разі герметизації повітря всередині порожнин, однак тріщини дозволили б воді затопити послідовні канали.

Дослідники також занурили власну конструкцію у морську воду із затоки Порт-Філліп у Мельбурні на 2 тижні. Матеріал зберіг плавучість й втратив лише близько 0,15% власної маси та менш як 1% міцності.

З рештою науковці створили з матеріалу прототип морського буя заввишки 100 мм та завширшки 85 мм. Він плавав у природній морській воді, а турбулентний потік багаторазово повертав його під кутом до 45°. Надалі дослідники планують масштабувати технологію для використання у конструкціях більшого розміру, а також довести її довговічність у реальних умовах.

Вони також розглядають порожнисту титанову раму як ширшу платформу для застосування матеріалів. Заміна поліуретану на інший наповнювач дозволить адаптувати ту саму базову архітектуру для поглинання енергії, гасіння вібрацій, керування тепловими процесами чи інших застосувань.