RMIT University

Инженеры RMIT University в Австралии создали легкий титановый материал, который остается на плаву даже после сильных повреждений. Как сообщает университет, разработка может найти применение в буях, плавучих датчиках и других конструкциях для работы в море. Результаты исследования опубликовали в Advanced Materials.

Материал напечатали на 3D-принтере. Его основа состоит из тонких полых титановых элементов, соединенных в решетчатую конструкцию. Внутри них находится пенополиуретан. Такая комбинация позволяет материалу оставаться прочным, не погружаться в воду и продолжать держаться на плаву после появления трещин.

Почему металлическая конструкция обычно тонет

Ученые столкнулись с необычной проблемой. Металлические решетки могут быть чрезвычайно легкими, а их плотность иногда оказывается меньше плотности воды. Однако внутри такой конструкции много открытого пространства, куда свободно проникает вода. В результате материал теряет плавучесть и идет ко дну.

«Хотя металлические решетки могут быть невероятно легкими, их открытые взаимосвязанные пространства позволяют воде проникать внутрь, из-за чего они тонут. Это делало такие прочные и легкие конструкции непригодными для морской инфраструктуры — до сих пор», — рассказал ведущий автор работы, специалист Центра аддитивного производства RMIT Джордан Норонья.

Исследователи заполнили пеной только полые элементы конструкции. Вода по-прежнему может проходить через внешние отверстия, но не заполняет внутренние каналы. По словам Нороньи, это позволяет материалу сохранять плавучесть даже при серьезных повреждениях.

На 70% прочнее аналогов

Фото: Advanced Materials

Испытания показали, что при одинаковой общей плотности новая конструкция на 70% прочнее нержавеющей стали и полиэтилена высокой плотности, которые применяются в морских сооружениях.

Материал также проверили в натуральной морской воде из залива Порт-Филлип в Мельбурне. После двух недель погружения его масса уменьшилась всего на 0,15%, а прочность снизилась менее чем на 1%.

Еще более необычным результатом стала устойчивость к повреждениям. Даже после появления трещин, разрушения отдельных соединений и поломки целого слоя решетки образцы продолжали держаться на воде. Материал тонул только после сильного сдавливания, когда его конструкция практически полностью разрушалась.

«Маленькие герметичные ячейки внутри пены удерживают газ и не дают воде заполнить полые элементы. Пена действует как распределенный барьер, благодаря которому конструкция остается на плаву после повреждения», — объяснил Норонья.

Прототип проверили в морской воде

Работоспособность технологии показали на прототипе буя, изготовленном с помощью 3D-печати. В испытательном резервуаре с морской водой конструкция сохраняла устойчивость даже при наклоне и вращении емкости на 45 градусов. Для этого не потребовались герметичный корпус, защитное покрытие или дополнительный плавучий элемент.

Для проектирования таких материалов исследователи также предложили новый показатель — «скелетную плотность». Он учитывает только те части конструкции, которые не могут быть заняты водой. Если их плотность ниже плотности окружающей жидкости, решетка должна оставаться на плаву.

«Это дает инженерам простое правило проектирования», — отметил Норонья.

Авторы работы планируют увеличить размеры деталей и проверить материал в более длительных испытаниях, в том числе в условиях открытого моря и на больших глубинах.

При этом технология может оказаться полезной не только на воде. Руководитель проекта Ма Цянь считает, что, меняя материал внутри титанового каркаса, конструкцию можно адаптировать для поглощения энергии, управления теплом и снижения вибраций.