Co sprawia, że ten niezwykły kompozyt opracowany przez naukowców z North Carolina State University jest w stanie przetrwać warunki, które dla konwencjonalnych materiałów kończą się katastrofą? I czy w ogóle jest on gotowy do zastosowań praktycznych poza kontrolowanym środowiskiem laboratoryjnym?
Samochody, lotnictwo, atom. Jeden materiał, trzy branże i zupełnie nowe możliwości
Proponowana przez specjalistów kompozytowa pianka metalowa składa się z pustych stalowych kul osadzonych w metalowej matrycy, tworząc tym samym strukturę przypominającą metalową gąbkę. Chociaż konstrukcja wydaje się prosta, to jej właściwości są naprawdę imponujące. Materiał w aż 65-70% składa się z powietrza, a to przekłada się na gęstość zaledwie 3,3 grama na centymetr sześcienny, a to akurat mniej niż połowa gęstości tradycyjnej stali nierdzewnej. Taka właśnie specyficzna budowa nadaje materiałowi cechy, które na pierwszy rzut oka wydają się sprzeczne. Lekkość łączy się tu bowiem z niezwykłą wytrzymałością, a kieszenie powietrzne działają jako naturalny izolator termiczny, co w przypadku metali jest dość nietypowe.
Czytaj też: Airbus drukuje przyszłość lotnictwa, aby rozwiązać kluczowy problem obiecujących samolotów
Najbardziej zaskakujące są wyniki badań wytrzymałościowych, bo w temperaturze 400°C materiał przetrwał ponad 1,3 miliona cykli obciążenia, podczas gdy testy w jeszcze wyższej temperaturze 600°C zakończyły się po 1,2 miliona cykli. Co ciekawe, eksperymenty przerwano nie z powodu uszkodzenia próbek, ale z uwagi na ograniczenia czasowe samego laboratorium. Wyniki są więc imponujące, ale w rzeczywistych warunkach przemysłowych materiał może zachowywać się nieco inaczej. Testy laboratoryjne, choć rygorystyczne, nie zawsze w pełni oddają długoterminowe obciążenia w prawdziwych zastosowaniach.
Czytaj też: Budownictwo przyszłości już istnieje i ma sześć nóg. Robot Charlotte buduje domy w 24 godziny
Naukowcy odkryli, że za niezwykłą trwałość materiału odpowiada zjawisko zwane dynamicznym starzeniem odkształceniowym. W temperaturach około 400°C ten mechanizm faktycznie wzmacnia strukturę, a to wyjaśnia, dlaczego materiał lepiej radzi sobie w podwyższonych temperaturach niż w warunkach pokojowych. W przypadku wyższych temperatur sytuacja komplikuje się przez dodatkowe czynniki takie jak zmiękczenie termiczne, dynamiczną regenerację i uszkodzenia spowodowane utlenianiem. Mimo to materiał wciąż wykazuje zdumiewającą odporność. Badacze zaobserwowali również zjawisko bliźniakowania odkształceniowego, które pomaga utrzymać wytrzymałość nawet w najtrudniejszych warunkach.
Droga do tego materiału łatwa nie była
Jedną z największych przeszkód w komercyjnym wykorzystaniu takich materiałów było ich łączenie. Tradycyjne metody spawania niszczyły unikalne właściwości pianki metalowej. Problem rozwiązało spawanie indukcyjne, które wykorzystuje specyficzną budowę materiału. Ponieważ kompozyt w większości składa się z powietrza, pole elektromagnetyczne może głęboko penetrować strukturę, a kieszenie powietrzne zapobiegają rozprzestrzenianiu się ciepła. To eleganckie rozwiązanie pozwala łączyć elementy bez utraty kluczowych właściwości.
Czytaj też: Najważniejszy samolot USA przyłapany w locie. Jakie tajemnice skrywa nietypowe wydanie?
Dla potencjalnej produkcji na masową skalę potrzebne będzie wiele technik, a w tym tomografia przemysłowa CT do weryfikacji integralności kulek i rozkładu porów, szybkie testy nieszczelności do wychwycenia defektów przelotowych oraz wycinki referencyjne do map zmęczeniowych. Wprowadzenie takich procedur jeszcze przed potencjalną produkcją pilotażową pozwoli uniknąć “niespodzianek” po kilku tysiącach cykli w cieple.
Potęga drzemiąca w kompozytowej piance metalowej jest ogromna
Zastosowania kompozytowej pianki metalowej są szerokie, bo sięgają od motoryzacji po energetykę jądrową. W przemyśle samochodowym materiał mógłby znaleźć zastosowanie w silnikach, oferując redukcję masy przy zachowaniu wytrzymałości. W lotnictwie zaś mógłby być wykorzystywany w elementach konstrukcyjnych narażonych na wysokie temperatury, ale szczególnie obiecująco wyglądają perspektywy w energetyce jądrowej, gdzie kombinacja lekkości, wytrzymałości i izolacji termicznej mogłaby znaleźć zastosowanie w przechowywaniu materiałów radioaktywnych. Gdyby tego było mało, bo może zatrzymywać pociski równie skutecznie jak stal i to przy znacznie mniejszej wadze.
Warto jednak pamiętać o ograniczeniach. Praktyczna granica wytrzymałości tego materiału w wysokich temperaturach wynosi około 50% jego maksymalnych możliwości. Powyżej tego progu wydajność szybko spada, co wyznacza bezpieczne parametry pracy w rzeczywistych zastosowaniach. Tak czy inaczej, kompozytowe pianki metalowe pokazują ogromny potencjał, ale ich przyszłość zależy od tego, czy uda się przejść od laboratoryjnych sukcesów do przemysłowej rzeczywistości.