Казват, че давещият се е готов да се хване за какво ли не, за да остане на повърхността, но вероятно би се замислил, ако му предложат титаниева шамандура. И все пак, учени създадоха титаниева структура, която плава, без това да нарушава здравината на метала.

Екип от изследователи в австралийския университет RMIT създаде материал, който наричат ​​„плаващ метало-полимерен решетъчен метаматериал с отворени клетки“ – 3D принтирана титаниева структура, способна да плава, въпреки че самият титан е над четири пъти по-плътен от водата. За да постигнат това, те принтират скелет от титаниева сплав, оставяйки отделните елементи (греди) кухи, след което ги запълват с лека полиуретанова пяна. При изпитанията структурата запази плаваемостта си дори след появата на пукнатини, счупване на свързващи елементи и разрушаване на цял слой от решетката.

Има множество причини да търсим материал, който е едновременно изключително здрав и притежава висока плаваемост.

Шамандурите, плаващите сензори, офшорните платформи и другите съоръжения от морската инфраструктура трябва да издържат на многократни вълнови удари и на корозивното действие на морската вода, без да потъват под повърхността при евентуална повреда. Метали като неръждаемата стомана и титана осигуряват здравината и устойчивостта на умора, необходими за тези цели. Титановата сплав Ti-6Al-4V, използвана в случая, се отличава и с изключително добра устойчивост на корозия в морска вода. Основният проблем обаче е плътността на материала. Ti-6Al-4V има плътност от около 4,43 g/cm³ в сравнение с приблизително 1 g/cm³ за сладката вода, което означава, че обикновено потъва на дъното.

Хората обаче – като изобретателен вид – са намерили решения на този проблем още в зората на мореплаването. Според принципа на Архимед един обект плава, когато теглото на изместената от него вода е достатъчно, за да поддържа собственото му тегло. Така например един кораб може да бъде изработен от тежка стомана, но въпреки това да плава, тъй като кухият му корпус затваря в себе си огромен обем въздух. Като алтернатива, инженерите могат да използват материали с ниска плътност, като например пенопласт, за да осигурят плаваемост.

Друг възможен подход е използването на метални решетъчни структури. Чрез 3D принтиране сравнително малко количество метал може да се превърне в обемна, лека мрежа от елементи, създавайки структури с впечатляващо съотношение между здравина и тегло. Някои метални решетки имат дори привидна обемна плътност, по-малка от една десета от тази на водата. За съжаление, отворената им структура се оказва недостатък при потапяне във вода.

„Отворените им, свързани помежду си кухини позволяват на водата да навлезе вътре, което води до потъване“, обяснява водещият изследовател д-р Джордан Нороня.

Това обяснение разкрива един леко подвеждащ аспект на плътността. Когато се изчислява масата на решетъчна структура спрямо нейния общ външен обем, големите празни пространства се отчитат като част от този обем. При потапяне във вода обаче тя просто навлиза в тези кухини. Те престават да допринасят за плаваемостта (чрез изместване на течност) и структурата потъва.

Поради това изследователите от RMIT въвеждат нов показател, наречен „скелетна плътност“, който не отчита достъпното отвън пространство, а включва само онези части от структурата, които реално не пропускат вода. Ако тази скелетна плътност е по-ниска от плътността на заобикалящата течност, структурата би трябвало да плава.

Учените проектират прости кубични решетки от сплавта Ti-6Al-4V, съставени от масиви с размери 4 x 4 x 4 клетки (всяка с размер 10 мм). Вместо да отпечатват стандартни плътни елементи, те създават кухи подпори със стени с дебелина едва 0,2 мм и вътрешни канали с диаметър от 2,5 до 4 мм (0,1 до 0,16 инча). Структурите са изработени чрез лазерно синтероване на прах (laser-based powder bed fusion) – процес, при който лазер селективно разтапя последователни слоеве титанов прах, за да изгради постепенно сложната геометрия.

След това те инжектират разширяваща се полиуретанова пяна през свързаните помежду си канали във вътрешността на титановите подпори. Докато се разширява, пяната запълва вътрешността на елементите, но оставя големите пространства между тях напълно свободни.

Под микроскоп се вижда, че пяната образува плътна връзка с грапавите вътрешни стени от титан и се състои предимно от затворени клетки с размери между 10 и 200 микрометра. Тези херметични микроскопични мехурчета задържат газ и не пропускат вода. Резултатът на практика е скелет, изграден от миниатюрни титанови тръбички, запълнени с пяна. Титанът поема натоварването и осигурява здравина, докато пяната осигурява плаваемост.

При досегашните метално-полимерни решетъчни структури пространствата между елементите обикновено се запълват с полимери като епоксидна смола, PEEK или силикон. Получените структури могат да придобият полезни свойства, като например способност за поглъщане на вибрации или терморегулация, но запълването на външните клетки премахва именно онази отворена структура, която първоначално е направила решетката интересна. В случая водата може свободно да преминава през конструкцията, като по този начин се запазват нейната пропускливост и голямата площ на откритата повърхност.

Пяната също така почти не повлия на механичните характеристики на титана. В сравнение с еквивалентни решетки с кухи елементи, добавянето на полиуретан увеличи обемната плътност само с около 5,9% до 7,3%, като същевременно доведе до минимални промени в границата на провлачване, максималната якост на натиск и твърдостта. Хибридната структура постигна и по-висока специфична якост в сравнение с два конвенционални материала за морски приложения, използвани за сравнение – полиетилен с висока плътност (HDPE) и неръждаема стомана клас 316L.

За първоначалните изпитания на плаваемостта изследователите потопиха няколко различни модела в сладка вода за период от повече от два месеца. Всички незапълнени титанови решетки потънаха, тъй като водата напълни кухите им канали. Версиите, запълнени с пяна, се държаха точно както предвиждаше моделът, базиран на плътността на скелета: образците с плътност на скелета, по-висока от тази на водата (0,997 g/cm³), потънаха, докато тези с по-ниска плътност останаха на повърхността.

След това изследователите подложиха структурите на изпитания за разрушаване. В крайна сметка не е достатъчно конструкцията просто да стои неподвижно в спокойни води; на практика тя трябва да продължи да изпълнява функциите си дори след многократни силни въздействия от страна на морето.

Те подложиха плаващи образци на натиск и периодично ги проверяваха във водата, докато повредите прогресивно се задълбочаваха. Образците продължаваха да плават дори след като границата им на якост при натиск беше надхвърлена, след като отделни възли се счупиха и дори след като пукнатините се разпространиха достатъчно, за да разрушат цял ​​слой от решетъчната структура. Те потънаха едва когато структурите бяха силно смачкани и навлязоха във фазата на уплътняване. До този момент натискът бе намалил обема им дотолкова, че плътността на скелетната им структура надвиши тази на водата.

Тук особено ценна се оказа пяната със затворени пори. Напълно куха титанова структура също би могла да бъде направена плаваща чрез запечатване на въздух в елементите ѝ, но една-единствена сериозна пукнатина би позволила на водата да нахлуе през свързаните канали. Пяната от своя страна действа като „разпределена бариера“. Тя не позволява повредата на едно място да отвори път за водата през цялата структура.

Екипът също така потопи материала в естествена морска вода от залива Порт Филип край Мелбърн за период от две седмици. Той запази плаваемостта си, загуби едва 0,15% от масата си, а якостта му намаля с по-малко от 1%.

Накрая те превърнаха материала в нещо с ясно изразена практическа полза – прототип на морски буй с височина 100 mm и ширина 85 mm. Отпечатаният на 3D принтер буй се задържаше на повърхността в естествена морска вода, докато турбулентният поток многократно го завърташе на ъгъл до 45 градуса – и всичко това без херметичен външен корпус, защитно покритие или отделен плаващ елемент, което доказа приложимостта на конструкцията в реални условия.

В следващия етап изследователите планират да мащабират технологията за създаване на по-големи конструкции и да докажат дълготрайната ѝ устойчивост в реална морска и дълбоководна среда. Те също така разглеждат кухата титанова рамка като платформа с много по-широко приложение. Замяната на полиуретана с друг пълнител би позволила същата базова архитектура да се адаптира за поглъщане на енергия, демпфиране на вибрации, управление на топлинните процеси или други цели. С други думи, инженерите създават обекти с уникални комбинации от нестандартни свойства, като съчетават отпечатаната на 3D принтер куха структура с различни пълнещи материали.

Снимка: Unsplash/Sara Tan, RMIT

Виж още: Razer Blade 16 за цели 4500 долара издържа само 7 дни преди да извади зловещата грешка Code 43