Ученые создали первый титановый каркас, способный плавать

Фото из открытых источников

Согласно всем законам физики, металлическая конструкция, полная отверстий, должна утонуть в момент соприкосновения с водой. Однако команда инженеров создала конструкцию, которая, несмотря ни на что, плавает и продолжает держаться на плаву даже после того, как она треснула, раздавилась или разорвалась. В исследовании, опубликованном в журнале Advanced Materials, описывается первый в своем роде плавучий металлический каркас с открытыми ячейками — титановая сетка, которую инженеры называют решеткой. Этот каркас надежно плавает в морской воде и, при своем весе, прочнее обычных морских материалов, таких как нержавеющая сталь и высокоплотный пластик.

Металлические каркасы, подобные этому, состоящие из крошечных повторяющихся элементов, расположенных подобно микроскопической детской площадке, уже используются в деталях самолетов, медицинских имплантатах и военной технике, поскольку они прочные и легкие. Но есть один нюанс, когда дело доходит до воды: та же открытая структура, которая делает эти каркасы полезными, также позволяет воде проникать внутрь и уносить материал на дно, независимо от того, насколько легким он выглядел на бумаге. Инженеры из Университета RMIT в Австралии, работая с коллегой из Франции, решили эту проблему, объединив титан с пенополиуретановым наполнителем способом, который никому раньше не удавался.

Их решение: изготовленные на 3D-принтере титановые стойки, полые внутри, как крошечные трубки, в которые впрыскивается расширяющаяся полиуретановая пена, герметизирующая внутренние каналы, оставляя при этом внешнюю поверхность открытой и пористой. Эта деталь важна, поскольку каркас сохраняет текстуру поверхности, которая делает его функциональным, и при этом приобретает достаточную герметичность для плавания.

Плавучесть сводится к простой идее: объект плавает, если его общая плотность, включая любую воду, просачивающуюся внутрь, остается ниже плотности окружающей жидкости. Раньше инженеры полагались на объемную плотность, чтобы предсказать, будет ли материал плавать, но это значение меняется по мере того, как вода со временем проникает в пористую структуру. Такая рама может казаться достаточно легкой, чтобы плавать в лаборатории, а затем медленно набирать воду и тонуть по мере заполнения воздушных карманов.

Решением проблемы стала новая методика измерения, называемая плотностью каркаса, которая учитывает только металлическую оболочку и любой герметичный наполнитель внутри нее, игнорируя открытые поры, которые обычно пропускают воду. Спроектировав титановые стойки полыми и герметизировав эти каналы пеной, команда смогла заранее рассчитать, насколько легкими должны быть герметизированные участки, чтобы конструкция могла плавать.

Используя лазерную 3D-печать, исследователи создали небольшие титановые кубические рамы с полыми стойками, а затем ввели расширяющуюся полиуретановую пену через каналы, пока она не заполнила все проходы и не герметизировала их от внешней среды. Они создали версии с полыми каналами шириной от 2,5 до 4 миллиметров внутри каждой стойки, намеренно спроектировав некоторые из них так, чтобы они плавали, а другие тонули, чтобы проверить, может ли их формула плотности надежно предсказать результат.

Каждая конструкция была протестирована трижды, погруженная в пресную воду и природную морскую воду из залива Порт-Филлип, некоторые — более чем на два месяца. Конструкции без пенопласта каждый раз тонули, как и предсказывалось, при этом воздух заметно выходил наружу по мере заполнения водой их опор. Версии с пенопластовым наполнителем, построенные с достаточно низкой плотностью герметизации, плавали без протечек, точно соответствуя прогнозам формулы, хотя фактические образцы оказались немного плотнее, чем предполагалось. Отдельное двухнедельное выдерживание в морской воде подтвердило хорошую устойчивость титана к коррозии, показав минимальную потерю веса или снижение прочности.

Исследование того, что происходит после повреждения материала, дало наиболее неожиданный результат. Исследователи сжимали образцы, заполненные пеной, под прессовальной машиной, останавливаясь на нескольких этапах, от пикового напряжения и первых трещин до полного разрушения конструкции, и погружали каждый поврежденный образец обратно в воду для проверки плавучести. Отдельные лабораторные тесты, сопоставленные с компьютерным моделированием, показали, что трещины неизменно начинались там, где пена входила в стойки. Тем не менее, плавучесть сохранялась на всех стадиях повреждения, разрушаясь только тогда, когда сжатие становилось настолько сильным, что герметизированные участки становились плотнее воды. Пена оставалась герметичной и продолжала удерживать воздух даже при растрескивании металла, действуя как встроенный резервный поплавок, что является существенным улучшением по сравнению с обычной герметичной металлической рамой, которая позволяла бы воде мгновенно проникать внутрь при образовании трещины.

В структурном отношении гибрид также показал себя неплохо. При сравнении при одинаковой плотности он превзошел полиэтилен высокой плотности и нержавеющую сталь 316L, два материала, часто используемые в морском оборудовании, по прочности на единицу веса, а добавление пенопласта практически не изменило прочность или жесткость каркаса по сравнению с версией без наполнителя. Чтобы показать, что это не просто лабораторный трюк, исследователи построили небольшой рабочий буй размером примерно с кофейную кружку и протестировали его в реальной морской воде в условиях имитации турбулентного течения. Он устойчиво плавал и покачивался на течении без внешней герметизации или дополнительных средств плавучести.

Здесь применима не просто одна остроумная конструкция буя, а формула, которую другие инженеры могли бы использовать в других областях. Поскольку для такого подхода требуется лишь знание базовой плотности материала, исследователи говорят, что тот же принцип проектирования потенциально может быть адаптирован к другим комбинациям, например, к различным металлам в сочетании с резиной, смолой или биоразлагаемыми материалами для медицинских устройств. Это превращает данный проект в образец для создания плавучих металлических конструкций, способных выдерживать реальные повреждения в море.

Опубликованные результаты получены на небольших кубовидных лабораторных образцах и одном компактном демонстрационном буе высотой примерно 100 миллиметров, поэтому еще предстоит выяснить, как производственный процесс покажет себя при работе с более крупными и сложными буями реальных размеров. Периоды испытаний также были короткими по сравнению с реальной эксплуатацией в океане: выдержка в пресной воде длилась чуть более двух месяцев, а испытание на коррозию в морской воде — всего две недели, что значительно меньше лет воздействия, которым обычно подвергается морское оборудование. 

Сами исследователи отмечают, что масштабирование создает практические производственные проблемы, включая полное удаление остатков металлического порошка из внутренних каналов, достижение равномерного заполнения пеной более крупных и сложных форм и надежную герметизацию каждого канала. Процесс заполнения пеной также проводился на открытом воздухе, а не в вакууме, что, по словам команды, было преднамеренным выбором для упрощения и масштабируемости процесса, хотя это может не отражать все возможные условия производства.