Новые исследования показывают, что композитная металлическая пена (КМП) невероятно устойчива при высоких температурах, способна выдерживать многократные тяжёлые нагрузки даже при температуре 400 °C и 600 °C. Благодаря высокому соотношению прочности и веса материала, открытие предполагает возможность использования КМП в различных областях: от автомобильных двигателей до аэрокосмической промышленности и технологий ядерной энергетики.
«КМП обладает множеством привлекательных свойств, которые делают её перспективной для широкого спектра применений», — говорит Афсанех Рабиеи, автор соответствующей статьи и профессор кафедры машиностроения и аэрокосмической инженерии в Университете штата Северная Каролина. «Но если вы хотите использовать материал в двигателях, деталях самолётов или в любых приложениях, связанных с повторяющимися нагрузками и высокими температурами, вам нужно знать, как материал будет работать».
Применение КМП
Это важно для любого применения, но особенно когда отказ оборудования может повлиять на здоровье и безопасность людей — например, в лопатках реактивных двигателей, воздуховодах и выхлопных заслонках; в лопатках турбин; в корпусах гиперзвуковых аппаратов и горячих задних кромках крыльев; в газовых и паровых турбинах; в компонентах автомобильных тормозных систем и деталях двигателей внутреннего сгорания; в оболочке ядерного топлива реакторов и многих других конструкциях, которые работают в экстремальных условиях жары и нагрузки.
Что такое композитная металлическая пена?
КМП — это пена, состоящая из полых сфер, изготовленных из таких материалов, как нержавеющая сталь, никель или другие металлы и сплавы, встроенных в металлическую матрицу. Полученный материал одновременно лёгкий и удивительно прочный при поглощении сжимающих усилий. Потенциальные области применения КМП варьируются от крыльев самолётов до автомобильной брони и бронежилетов.
Кроме того, КМП лучше изолирует от высокой температуры, чем обычные металлы и сплавы, такие как сталь. Сочетание лёгкости, прочности и теплоизоляции означает, что КМП также перспективен для использования при хранении и транспортировке ядерных материалов, опасных веществ, взрывчатых веществ и других термочувствительных материалов.
Испытания КМП при высоких температурах
Чтобы увидеть, как КМП будет работать при повторных нагрузках при высоких температурах, исследователи работали с Лабораторией построенных объектов Университета штата Северная Каролина, которая предназначена для тестирования материалов и конструкций в экстремальных условиях.
Для этого исследования исследователи работали с КМП, состоящими из стальных сфер в стальной матрице. Образцы КМП были подвергнуты повторному циклу нагрузки при температурах 23 °C (73 °F), 400 °C (752 °F) и 600 °C (1112 °F).
При 400 °C КМП выдержала цикл нагрузки, который чередовался между 6 и 60 мегапаскалями (или между 870 и 8702 единицами фунт-сила на квадратный дюйм) более чем 1,3 миллиона циклов без отказа, прежде чем исследователи остановили тест из-за ограничений по времени.
При 600 °C КМП выдержала цикл нагрузки, который чередовался между 4,6 и 46 мегапаскалями (или между 667 и 6671 единицей фунт-сила на квадратный дюйм) более чем 1,2 миллиона циклов без отказа, прежде чем исследователи остановили тест из-за ограничений по времени.
«Зная, что при усталостных нагрузках сжатие-сжатие срок службы твёрдой нержавеющей стали значительно уменьшается при повышении температуры от комнатной до 400 °C и 600 °C, эти результаты были замечательными, — говорит Рабиеи. — Наши результаты показывают, что срок службы стали-стали КМП не уменьшается, и что этот лёгкий материал демонстрирует потрясающие характеристики в экстремальных условиях высокотемпературной циклической нагрузки».
Статья «Performance of Composite Metal Foams Under Cyclic Loading at Elevated Temperatures» опубликована в открытом доступе в журнале Journal of Materials Science. Первый автор статьи — Зубин Чако, недавний доктор философии из Университета штата Северная Каролина. Соавтором статьи выступил Грегори Люсиер, профессор-исследователь в Университете штата Северная Каролина и менеджер Лаборатории построенных объектов.
Предоставлено Университетом штата Северная Каролина.