Аннотация:
В течение долгого времени титан широко использовался в аэрокосмической, морской технике и других областях благодаря своей высокой прочности, легкому весу и превосходной коррозионной стойкости. Однако, поскольку титан более чем в четыре раза плотнее воды, люди никогда не ассоциировали этот металл с «плаванием». Теперь исследовательская группа из Королевского Мельбурнского технологического института Австралии (Университет RMIT) успешно создала титановую конструкцию, которая может плавать на воде и достигать долгосрочной плавучести, сохраняя при этом высокую прочность.
Исследовательская группа разработала новую структуру под названием «плавучий металлополимерный метаматериал с открытой решеткой». Хотя сам титан имеет плотность около 4,43 грамма на кубический сантиметр, что намного превышает плотность пресной воды, которая составляет около 1 грамма на кубический сантиметр, исследователи изменили эту характеристику за счет специальной конструкции конструкции.
Чтобы добиться эффекта плавания, исследователи использовали технологию 3D-печати для создания решетчатого каркаса из титанового сплава Ti-6Al-4V и спроектировали все опорные балки, составляющие решетку, в полые структуры. Затем они заполнили внутреннюю часть этих полых каналов легкой полиуретановой пеной. Полученная композитная структура не только сохраняет механические свойства металлического титана, но и обеспечивает стабильную плавучесть.
В ходе эксперимента исследователи обнаружили, что даже если материал треснул, соединительные детали были сломаны или даже часть слоя решетки была повреждена целиком, он все равно мог оставаться на плаву и не тонуть в воде.
Причина, по которой используются материалы с высокой прочностью и плавучестью, заключается в том, что в области морской техники существует множество практических потребностей. Буи, датчики морского мониторинга, морские платформы и различная морская инфраструктура должны не только выдерживать постоянное воздействие волн, но также противостоять коррозии морской воды и продолжать сохранять свою работоспособность, несмотря на повреждения.
Хотя в настоящее время широко используемые нержавеющая сталь и пластмассы высокой плотности могут удовлетворить некоторые потребности, они все еще имеют ограничения с точки зрения прочности, долговечности и долгосрочной надежности. Титановый сплав сам по себе обладает превосходной коррозионной стойкостью и усталостной стойкостью, поэтому его всегда считали идеальным материалом. Однако его естественная высокая плотность ограничивает его применение на плавучих объектах.
Исследователи говорят, что в прошлом люди в основном полагались на два метода решения проблемы плавания. Один из них — использовать полую конструкцию корабля для обертывания большого количества воздуха, а другой — добавить внутрь оборудования материалы низкой плотности, такие как пенопласт, для обеспечения плавучести. Появление в последние годы металлических решетчатых конструкций дает новые идеи для решения этой проблемы.
Благодаря технологии 3D-печати для создания огромной сетчатой конструкции можно использовать лишь небольшое количество металла, тем самым достигая чрезвычайно высокого соотношения прочности к весу. Общая плотность некоторых металлических решеток составляет менее одной десятой плотности воды. Однако такие структуры уже давно непрактичны для использования в морской среде, поскольку их открытые поры быстро заполняются морской водой, что в конечном итоге приводит к их затоплению.
Прорыв исследовательской группы решил эту проблему. Вместо того, чтобы огораживать всю решетку, они просто заполнили внутреннюю часть полых титановых опорных балок пеной. Это не только позволяет морской воде свободно проходить сквозь решетчатую структуру, но и обеспечивает длительное существование общей плавучести.
Чтобы более точно оценить плавучесть таких конструкций, исследователи также предложили новую метрику расчета — «плотность скелета».
Традиционные расчеты плотности включают в диапазон объема все открытые пространства внутри решетки, но на самом деле эти пространства будут заняты водой и не будут способствовать плавучести. Новая концепция плотности скелета рассчитывает только те части, которые действительно могут отталкивать воду, включая стенки из титанового сплава и области, заполненные пеной.
Согласно этой теории, пока плотность скелета ниже плотности окружающей жидкости, вся конструкция может стабильно плавать, даже если большое количество внешних отверстий пропускают воду.
Результаты тестов производительности также интересны. При той же общей плотности прочность этой новой плавучей титановой конструкции примерно на 70% выше, чем у нержавеющей стали или полиэтилена высокой плотности, которые в настоящее время широко используются в морской технике.
Исследовательская группа также провела испытания на коррозионную стойкость с использованием природной морской воды из Порт-Филлип, Мельбурн. Результаты показали, что после двухнедельного вымачивания образца в морской воде он потерял всего около 0,15% своей массы, а его прочность снизилась менее чем на 1%, продемонстрировав отличную адаптируемость к морской среде.
Кроме того, экспериментальные образцы непрерывно плавали в пресной воде более двух месяцев и долгое время оставались стабильными. Исследователи полагают, что это доказывает, что конструкция не только обладает теоретическими способностями плавания, но и имеет потенциал для практического инженерного применения.
Исследовательская группа заявила, что впервые в мире был создан метаматериал со смешанной решеткой, который может плавать в течение длительного времени. Ожидается, что в будущем эта технология будет применяться к морским буям, оборудованию для мониторинга океана, морским энергетическим объектам и различным типам инфраструктуры, развернутым в морской среде в течение длительного времени.
Поскольку технологии 3D-печати и передовые технологии материалов продолжают развиваться, ожидается, что этот новый тип «плавающего титана», сочетающий в себе высокую прочность, коррозионную стойкость и постоянную плавучесть, откроет новые возможности для будущего проектирования океанской техники.
Комментарии