Группа исследователей из разных университетов Великобритании, в том числе Университета Дарема, совместно с учеными из нескольких институтов немецкого Общества Фраунгофера (IWU, WKI) и нескольких немецких университетов, разработали новый материал, обладающий высокой стойкостью к надрезам, что делает его практически неразрушимым. Материал под названием Протей (в честь морского божества в древнегреческой мифологии, обладающего способностью предсказывать будущее), плотность которого составляет примерно 15% от плотности стали, полностью устойчив к надрезам.
По примеру природных явлений, таких как свойства кожицы винограда или стойкость к разрушению раковин моллюсков, исследователи поместили небольшие керамические глиноземные сферы в слой алюминиевой пены, покрытый слоем стали снаружи.
Они объясняют, что материал невозможно разрезать благодаря вибрации и возникающих в результате гармонических колебаний. Сверхвысокая твердость этой структуры достигается благодаря локальному резонансу керамических частиц в гибкой ячеистой матрице и режущего инструмента, который вызывает высокочастотные колебания в точке контакта.
В статье, опубликованной 20 июля 2020 года в журнале Scientific Reports, объясняется, как при взаимодействии режущего инструмента с минисферами возникают высокочастотные колебания, которые вдавливают инструмент за считанные минуты. Когда лезвие проникает в материал, сферы высвобождают мелкодисперсные частицы керамической пыли, которые создают эффект шлифования, повреждая инструмент. В то же время, частицы заполняют алюминиевую пену, повышая ее плотность.
Материал также эффективен в отношении гидроабразивной резки высокого давления, поскольку керамические частицы сферической формы рассредотачивают водную струю, что делает материал полностью устойчивым к резанию.
Производственный процесс довольно сложный, объясняют ученые: Сначала алюминиевый порошок смешивают с дигидридом титана (пена) с помощью роторной мешалки для получения однородной смеси.
Затем полученный порошок подвергают холодному прессованию в компрессоре и экструдируют, получая плотные заготовки материала, которые разрезают на небольшие части.
Затем керамические сферы и стержни из прессованного алюминиевого порошка выкладывают в виде ортогональной сетки и заключают в стальной кожух с помощью точечной сварки.
Затем конструкцию нагревают в печи при температуре около 760°C в течение 15-20 минут. Дигидрид титана начинает разлагаться при 470°C, выделяя водород при высоком давлении, который расширяет алюминий, создавая вакуумные пустоты.
Затем компоненты охлаждают на воздухе, при этом создается стабильная сотовая структура с керамическими частицами внутри.
Для сравнения рассмотрим другие примеры материалов, которые способны вступать в реакцию в определенных ситуациях. Например, ловушка для пальцев, в которой благодаря особому переплетению материалов действует механизм: чем больше растягиваешь, тем плотнее она затягивается. Эта конструкция работает против вас; чем больше вы тянете, тем больше сжимается пространство вокруг пальца.
Другой пример — так называемый облек, неньютоновская жидкость из воды и пшеничного крахмала, в которую невозможно погрузить руку, сколько бы вы по ней не ударяли.
В этих примерах материал изготовлен не из стойких компонентов, но именно физическое воздействие делает его высокостойким в определенных условиях.
Исследователи протея приводят пример со стрельбой в мешок с песком. В самом песке нет ничего особенного, но мешок с песком может остановить пулю, просто благодаря своей природе и расположению.
Основные области применения данного материала могут быть связаны с безопасностью (замки, навесные замки, цепи и т.д.), а также с защитными элементами для выполнения опасных работ.
