Австралийские инженеры создали необычный материал на основе титана, который сочетает в себе высокую прочность металла с настолько малой эффективной плотностью, что способен плавать на поверхности воды. Разработку осуществила команда RMIT University в Мельбурне, а результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Materials.
Речь идет не о новом химическом сплаве, а о специально разработанной пространственной структуре. Её изготавливают из широко распространённого титанового сплава Ti-6Al-4V с помощью лазерной 3D-печати. Внутри формируется решетка из полых трубчатых элементов, а их внутренние каналы заполняются полиуретановой пеной.
Именно эта комбинация позволила решить проблему, которая долгое время препятствовала использованию сверхлегких металлических решеток в плавучих конструкциях.
Вода проникает сквозь материал, но он не тонет
Обычная пористая металлическая решетка теоретически может иметь среднюю плотность, меньшую, чем плотность воды. Однако из-за открытых полостей вода быстро проникает внутрь, вытесняет воздух, и конструкция теряет плавучесть.
Инженеры RMIT оставили внешнюю решетку открытой для воды, но герметизировали именно полые титановые элементы, заполнив их пеной.
В результате вода может свободно проходить через большие отверстия конструкции, но не попадает внутрь её несущих элементов. Это обеспечивает достаточный запас плавучести даже при длительном погружении.
В ходе экспериментов образцы находились в воде более двух месяцев. Исследователи также изготовили полноценный демонстрационный буй, который стабильно плавал в естественной морской воде.
Даже трещины не заставляют его тонуть
Одним из наиболее интересных свойств нового материала стала его живучесть.
Даже после серьезного механического повреждения и появления крупных трещин конструкция продолжала удерживаться на поверхности. Причина заключается в том, что плавучесть распределена между большим количеством отдельных каналов, заполненных пеной.
Если часть конструкции повреждается, остальные элементы продолжают отводить воду.
Для морской инфраструктуры это важное преимущество. Буи, плавучие датчики, понтоны и другие конструкции постоянно подвергаются воздействию волн, ударов, коррозии и механических нагрузок.
По данным RMIT, при одинаковой общей плотности новый титаново-полимерный материал примерно на 70 % прочнее нержавеющей стали или полиэтилена высокой плотности, которые широко используются в морских конструкциях.
Учёным пришлось даже придумать новый способ измерения плотности
В ходе работы команда столкнулась ещё с одной проблемой: обычное определение плотности плохо подходит для открытых решёточных структур.
Поэтому исследователи предложили понятие «скелетной плотности». Оно учитывает только те части конструкции, которые действительно вытесняют воду — титановые стенки и закрытые каналы с пеной.
Если такая плотность скелета ниже плотности окружающей жидкости, материал будет плавать даже в том случае, если вода полностью заполняет открытое пространство решетки.
Разработчики видят потенциальное применение этой технологии в буях, плавучих платформах, системах мониторинга океана и другом морском оборудовании. Теоретически тот же принцип можно применять и к другим металлам или формам решеток.
Пока что основными ограничениями остаются цена титана и сложность аддитивного производства. Однако для конструкций, в которых особенно важны малый вес, коррозионная стойкость и способность оставаться на плаву даже после повреждения, новый материал может оказаться гораздо более практичным, чем традиционные решения.
