Новый композит: прочность керамики и гибкость металла

Исследователи из Виргинского политехнического института совершили прорыв в создании нового типа композитного материала. Объединив прочность керамики с гибкостью металла, они разработали материал, который способен к масштабируемому производству без потери своих уникальных свойств.

Руководитель исследовательской группы, доцент кафедры материаловедения и инженерии Ханг Ю, совместно с аспирантом Донни Эрбом и постдоком Никхилом Готавалой, успешно решили задачу создания керамики с эффектом памяти формы, пригодной для промышленного производства. Ранее хрупкость керамики ограничивала ее применение в крупномасштабных проектах.

Новая разработка использует передовую технологию производства — аддитивное фрикционное перемешивание. Этот метод позволяет встраивать функциональные керамические частицы в металлическую матрицу. Результатом является прочный, лишенный дефектов материал, который способен изменять свою внутреннюю структуру под воздействием нагрузки, рассеивая энергию. В отличие от традиционно хрупкой керамики, этот композит может быть напечатан на 3D-принтере в больших объемах, сохраняя полную плотность в исходном состоянии. Это открывает широкие перспективы для его применения в оборонной промышленности, инфраструктуре, аэрокосмической отрасли и производстве спортивного инвентаря.

«Этот композит выдерживает растяжение, изгиб, сжатие и поглощает энергию за счет индуцированной напряжением фазовой трансформации», — поясняет Ханг Ю. «Он многофункционален, что позволяет нам создавать крупные изделия с потенциалом для реального применения».

Команда исследователей не первая, кто пытался приручить керамику с эффектом памяти формы. Эти материалы, изменяющие свою внутреннюю структуру под воздействием стресса или тепла и возвращающиеся в исходное состояние, обладают ценными свойствами, позволяя выполнять движения или поглощать энергию без движущихся частей, подобно металлическим сплавам.

«Когда я работал постдоком, группа моего научного руководителя опубликовала статью, в которой было показано, что при производстве материала в микромасштабе хрупкость керамики не является серьезной проблемой, и можно наблюдать эффект памяти формы», — говорит Ю. Однако до сих пор оставалось нерешенным, как масштабировать производство такого материала для структурных применений, так как он всегда разрушался.

Новый подход заключается во встраивании мельчайших частиц керамики с эффектом памяти формы в металл, «подобно добавлению шоколадных капель в тесто для печенья», сравнивает Ю. Полученную смесь подают в установку для аддитивного фрикционного перемешивания — передовое производственное оборудование, которое вращает сырье с такой скоростью, что оно сплавляется без плавления. В результате получается композит, в котором равномерно распределена керамика, способная к изменениям без разрушения всей структуры.

«Впервые в этом исследовании созданы объемные композиты из керамики с эффектом памяти формы и металлической матрицы с использованием масштабируемого процесса 3D-печати в твердотельной форме», — отмечает Ю.

Более прочные материалы, более «умные» применения

Благодаря первой демонстрации индуцированной напряжением фазовой трансформации в видимом, объемном масштабе, новый материал может стать мостом между академическими инновациями и реальными промышленными применениями. Он может использоваться для гашения вибраций или поглощения ударов в оборонных системах, аэрокосмической технике, инфраструктуре и даже в производстве спортивных товаров.

Например, металл с вкраплениями керамики может быть использован в стержне клюшки для гольфа для снижения вибрации при сохранении малого веса. «С этим композитом вы добавляете функциональность металлу, который уже используется в определенном приложении», — говорит Эрб. По его мнению, это ситуация в духе «Поля чудес»: «Если мы это создадим, кто-нибудь найдет интересные применения». Ранее этот материал демонстрировал свои свойства только в микрометровом размере, теперь же исследователи предлагают его в любом необходимом количестве.

Развитие передовых производственных технологий

Новое исследование подчеркивает роль Виргинского политехнического института как центра передовых производственных исследований. Ханг Ю, являющийся частью Центра передовых производственных технологий Virginia Tech Made, активно исследует возможности применения аддитивного фрикционного перемешивания.

«Этот композит очень интересен, а функция памяти формы керамики — это то, над чем я работаю с момента окончания аспирантуры. Сейчас меня больше знают как специалиста по аддитивному фрикционному перемешиванию. Теперь я могу объединить эти интересы и создать новые ключевые приложения, и это очень захватывающе».