Австралійські інженери створили незвичайний матеріал на основі титану, який поєднує високу міцність металу з настільки малою ефективною щільністю, що здатний плавати на поверхні води. Розробку підготувала команда RMIT University у Мельбурні, а результати дослідження опубліковані в журналі Advanced Materials.
Йдеться не про новий хімічний сплав, а про спеціально спроєктовану просторову структуру. Її виготовляють із поширеного титанового сплаву Ti-6Al-4V за допомогою лазерного 3D-друку. Усередині формується решітка з порожнистих трубчастих елементів, а їхні внутрішні канали заповнюються поліуретановою піною.
Саме ця комбінація дозволила вирішити проблему, яка довго заважала використовувати надлегкі металеві решітки у плавучих конструкціях.
Вода проходить крізь матеріал, але він не тоне
Звичайна пориста металева решітка теоретично може мати середню щільність, нижчу за щільність води. Проте через відкриті порожнини вода швидко потрапляє всередину, витісняє повітря і конструкція втрачає плавучість.
Інженери RMIT залишили зовнішню решітку відкритою для води, але герметизували саме порожнисті титанові елементи, заповнивши їх піною.
У результаті вода може вільно проходити крізь великі отвори конструкції, але не потрапляє всередину її несучих елементів. Це створює достатній запас плавучості навіть при тривалому зануренні.
Під час експериментів зразки залишалися на воді понад два місяці. Дослідники також виготовили повноцінний демонстраційний буй, який стабільно плавав у природній морській воді.
Навіть тріщини не змушують його тонути
Однією з найбільш цікавих властивостей нового матеріалу стала його живучість.
Навіть після серйозного механічного пошкодження та появи великих тріщин конструкція продовжувала триматися на поверхні. Причина полягає в тому, що плавучість розподілена між великою кількістю окремих заповнених піною каналів.
Якщо частина структури пошкоджується, інші елементи продовжують витісняти воду.
Для морської інфраструктури це важлива перевага. Буї, плавучі датчики, понтони та інші конструкції постійно стикаються з хвилями, ударами, корозією та механічним навантаженням.
За даними RMIT, при однаковій загальній щільності новий титаново-полімерний матеріал приблизно на 70% міцніший за нержавіючу сталь або поліетилен високої щільності, які широко використовуються у морських конструкціях.
Ученим довелося навіть придумати новий спосіб вимірювання щільності
Під час роботи команда зіткнулася ще з однією проблемою: звичайне визначення щільності погано підходить для відкритих решітчастих структур.
Тому дослідники запропонували поняття «скелетної щільності». Воно враховує лише ті частини конструкції, які реально витісняють воду — титанові стінки та закриті канали з піною.
Якщо така скелетна щільність нижча за щільність навколишньої рідини, матеріал буде плавати навіть тоді, коли вода повністю заповнює відкритий простір решітки.
Розробники бачать потенційне застосування технології у буях, плавучих платформах, системах моніторингу океану та іншому морському обладнанні. Теоретично той самий принцип можна використовувати і з іншими металами або формами решіток.
Поки що головними обмеженнями залишаються ціна титану та складність адитивного виробництва. Але для конструкцій, де особливо важливі мала маса, стійкість до корозії та здатність залишатися на плаву навіть після пошкодження, новий матеріал може виявитися значно практичнішим за традиційні рішення.
