Біля Краматорська почали зводити вітроелектростанцію
28 Січня , 2019
Армія США має супергармату з дальністю стрільби майже 2000 кілометрів?
4 Лютого , 2019

Міцність титану, щільність води: інженери створили «металеву деревину»

Високопродуктивні ключки для гольфу і крила літаків роблять з титану, який міцніший сталі, але вдвічі легший. Ці властивості залежать від способу укладання атомів металу, проте випадкові дефекти, що виникають в процесі виробництва, означають, що ці матеріали можуть бути не такими міцними. Архітектор, що збирає метали з окремих атомів, міг би спроектувати і побудувати нові матеріали, які будуть володіти кращим співвідношенням міцності та ваги.

У новому дослідженні, опублікованому в Nature Scientific Reports, дослідники зі Школи інженерних і прикладних наук Університету Пенсільванії, Університету Іллінойсу і Університету Кембриджу, зробили саме це. Вони зібрали лист нікелю з нанорозмірними порами, які роблять його таким ж міцним, як титан, але в чотири-п’ять разів легшими.

Порожнини в товщі і процес самозбирання роблять пористий метал схожим на натуральний матеріал, такий як деревина.

І точно так само, як пористість стовбура дерева виконує біологічну функцію транспортування енергії, порожній простір в «металевій деревині» може бути наповнений іншими матеріалами. Наповнення “деревини” анодними й катодними матеріалами дозволить металевому дереву служити подвійній меті: бути крилом літака або протезом ноги з акумулятором.

Керував дослідженням Джеймс Пікуль, доцент кафедри машинобудування та прикладної механіки в Пенсильванському університеті.

Навіть найкращі природні метали мають дефекти в розташуванні атомів, які обмежують їх міцність. Блок з титану, де кожен атом був би ідеально вирівняний зі своїми сусідами, був би в десять разів міцніший того, що можна зробити в даний час. Матеріалознавці намагалися використовувати це явище, застосовуючи архітектурний підхід, проектуючи структури з геометричним контролем, необхідним для розблокування механічних властивостей, які виникають в нанорозмірному масштабі, де дефекти мають знижений вплив.

Пікуль і його колеги зобов’язані своїм успіхом природі.

«Причина, по якій ми називаємо це металевою деревиною, полягає не лише в його щільності, яка дорівнює щільності деревини, але і в клітинній природі», говорить Пікуль. «Комірчасті матеріали є пористими; якщо подивитися на дерев’яне зерно (типовий малюнок деревного ламінату), що ви побачите? Товстіші і щільніші частини утримують структуру, а більш пористі частини необхідні для підтримки біологічних функцій, на зразок транспортування речовин в клітину і з неї».

«Наша структура подібна», говорить він. «У нас є ділянки з товстими і щільними міцними металевими розпірками, з повітряними зазорами. Ми просто працюємо в масштабах довжини, де міцність розпірок наближається до теоретичного максимуму».

Розпірки в металевій деревині мають ширину близько 10 нанометрів, або 100 атомів нікелю в поперечнику. Інші підходи включають використання технологій на кшталт тривимірного друку, для створення нанорозмірних лісів з точністю до 100 нанометрів, але повільний і кропіткий процес важко масштабувати до потрібних розмірів.

«Ми знали, що зменшення розмірів зробить вас сильнішими на деякий час, але люди не змогли зробити з цих міцних матеріалів досить великі структури, щоб можна було зробити щось корисне. Більшість прикладів, зроблених із міцних матеріалів, були розміром з невелику блоху, але з нашим підходом ми можемо зробити зразки металевої деревини, які в 400 разів більші».

Метод Пікуля починається з крихітних пластикових сфер діаметром кілька сотень нанометрів, підвішених у воді. Коли вода повільно випаровується, сфери осідають і складаються, як гарматні ядра, утворюючи впорядкований, кристалічний каркас. Використовуючи гальваніку, як при хромуванні колісних ковпаків, вчені наповнюють пластикові сфери нікелем. Як тільки нікель осідає на місце, пластикові сфери розчиняють, залишаючи відкриту мережу металевих розпірок.

«Ми зробили фольгу з цього металевого дерева розміром близько квадратного сантиметра — грань грального кубика», говорить Пікуль. «Щоб дати вам уявлення про масштаб, скажу, що в одному шматку такого розміру близько 1 мільярда нікелевих розпірок».

Оскільки отриманий матеріал на 70% складається з порожнього простору, щільність металевої деревини на основі нікелю вкрай низька по відношенню до її міцності. При густині рівній густині води, цегла з такого матеріалу буде плавати.

Наступним завданням команди буде відтворення цього виробничого процесу в комерційних масштабах. На відміну від титану, жоден з наявних матеріалів не є особливо рідкісним або дорогим сам по собі, але інфраструктура, необхідна для роботи в наномасштабах, в даний час обмежена. Як тільки вона буде розвинена, економія за рахунок масштабу дозволить зробити виробництво значної кількості металевої деревини швидшим і дешевшим.

Як тільки дослідники зможуть виробляти зразки своєї металевої деревини у великих розмірах, вони зможуть піддавати їх більш масштабним випробуванням. Наприклад, дуже важливо краще зрозуміти їх властивості при розтягуванні.

«Ми не знаємо, наприклад, чи буде наша металева деревина гнутися як метал або розбиватися як скло. Точно так само, як випадкові дефекти в титані обмежують його загальну міцність, нам необхідно краще зрозуміти, як дефекти в розпірках металевої деревини впливають на її загальні властивості».

Джерело

Author: LEU

Головний редактор сайту uaengineer.com.ua

LEU
LEU
Головний редактор сайту uaengineer.com.ua

Залишити відповідь

Увійти за допомогою: