Исследователи в области аэрокосмической инженерии и материаловедения из Техасского университета A&M и Армейской исследовательской лаборатории DEVCOM разработали «суперпену», способную поглощать в 10 раз больше энергии, чем обычные наполнители.

Композитный материал, описанный в журнале Composite Structures, сочетает в себе обычную пену с напечатанными на 3D-принтере эластичными пластиковыми колоннами, известными как стойки.

Результат? Доступный, легкий и сверхпрочный гибридный пеноматериал, способный изменить оборонную, автомобильную, аэрокосмическую и потребительскую отрасли.

Исследовательскую группу возглавляет доктор Мохаммад Нараги, директор Лаборатории наноструктурированных материалов в Инженерном колледже Техасского университета A&M, в сотрудничестве с доктором Эриком Ветцелем, руководителем группы по стратегическому аддитивному производству полимеров в ARL.

«Мы превратили обычную пену в настраиваемый высокоэффективный композитный материал на основе сверхпены», — сказал Нараги. «Он потенциально может стать универсальным решением для широкого спектра применений».

Магия синергии

Пенопласт повсюду — он присутствует почти во всех предметах, к которым мы прикасаемся или которыми пользуемся.

«Нас окружает пена, — сказал Нараги. — Многие предметы вокруг нас либо полностью, либо частично сделаны из неё».

Их секрет прост: миллионы крошечных воздушных карманов схлопываются под давлением, рассеивая энергию.

Но есть один нюанс.

Под поверхностью обычные пенопласты имеют случайную и хаотичную внутреннюю структуру, которая ограничивает эффективность поглощения энергии, в то время как искусственно созданные ячеистые материалы (решетчатые структуры) более упорядочены, но, как известно, дороги и сложны в масштабировании.

На протяжении десятилетий инженерам приходилось выбирать между доступностью и точностью — до недавнего времени.

Исследовательская группа впервые показала, что решение этой сложной дилеммы кроется в технологии, называемой аддитивным производством в пенопласте (In-Foam Additive Manufacturing, IFAM).

«IFAM — это простой, управляемый компьютером производственный процесс, который позволяет нам создавать эластомерный каркас внутри обычной пены с открытыми ячейками», — сказал Ветцель. «Диаметр, расстояние между ячейками, угол наклона и эластичность эластомера можно выбирать для достижения широкого спектра свойств. Процесс IFAM сочетает в себе лучшие качества обоих подходов, обеспечивая недорогой, настраиваемый и высокоэффективный композитный поглотитель энергии».

Иными словами, в обычный пенопласт встраивается трехмерная сеть пластиковых распорок, создавая композитный материал, в котором пенопласт и распорки взаимодействуют под давлением и компенсируют слабые места друг друга.

На начальных стадиях сжатия пенопласт действует как распорка, удерживая стойки в устойчивом положении, чтобы они не деформировались слишком рано. По мере нарастания давления стойки выталкивают усилие наружу, в окружающий пенопласт, распределяя нагрузку. В совокупности это колебательное движение позволяет композитному материалу поглощать больше энергии и выдерживать большие нагрузки.

«Это волшебство синергии, — сказал Нараги. — Симбиотическое сочетание пенопласта и распорок».

Варьируя толщину и углы стоек, исследователи создали композитный материал, который можно настраивать по таким параметрам, как прочность, поглощение энергии, комфорт или по всем трем параметрам одновременно.

Новая линия обороны

Поскольку этот проект спонсируется армией, ближайшая область применения гибридной пены – национальная оборона.

«Энергопоглощающие материалы имеют решающее значение для широкого спектра применений в армии, включая баллистические шлемы и взрывостойкие подушки сидений», — сказал Ветцель.

В зонах боевых действий переход от стандартной подкладки к сверхпрочной пене, поглощающей в 10 раз больше энергии, — это не просто инженерная удача, это потенциальная возможность снизить количество травм и спасти жизни.

«Впрыскивая обычную пену с заданными пластиковыми распорками, мы обеспечиваем на порядки более высокий уровень защиты при очень небольшом увеличении веса», — сказал Нараги.

Команда изучает возможности применения гибридной пены в военных шлемах, которые должны не только останавливать баллистические снаряды, но и обеспечивать амортизацию при сильных падениях и столкновениях.

«Мы не просто добавляем слои к военным шлемам, — сказал Нараги. — Мы используем композитный щиток, который более прочный, чем существующие подкладки, и при этом достаточно легкий, чтобы носить его весь день, не чувствуя усталости».

Для военнослужащих это обещает новую линию обороны, обеспечивающую более надежную защиту, повышенную безопасность и максимальную боеготовность без ущерба для мобильности или выносливости.

«Травмы головы и мозга остаются серьезной проблемой для армии США, и любые инновации в материалах, позволяющие нам обеспечить более надежную защиту, одновременно обеспечивая комфорт и снижая вес, являются ценным шагом вперед», — сказал Ветцель. «Кроме того, процесс IFAM легко переносится на масштабное производство в реальных условиях».

Будущее безопасности на дорогах и взлетно-посадочных полосах

Принципы применения тех же материалов, которые используются для защиты солдат, могут быть адаптированы и для гражданского использования.

«Мы можем использовать этот же гибридный пеноматериал и для коммерческих шлемов: велосипедных, мотоциклетных, даже спортивных», — сказал Нараги. «В принципе, для любой экипировки, предназначенной для поглощения ударов высокой энергии».

Помимо защитной одежды, новый композитный материал может пересмотреть стандарты безопасности в области защиты пассажиров и проектирования транспортных средств.

Благодаря облицовке бамперов и салона автомобиля этим гибридным пеноматериалом, создается высокотехнологичный поглотитель энергии удара, способный смягчать сильные столкновения и защищать пассажиров от ударов, с которыми существующие амортизирующие материалы не так эффективно справляются.

«Один из вариантов, который нас интересует, — это детское автокресло и кресла безопасности для пассажиров», — сказал Нараги.

Тишина, созданная искусственно

Гибридная пена обладает не только физическим экраном, но и еще одним многообещающим потенциалом: шумоизоляцией.

Хотя это пока лишь долгосрочная цель, исследователи открывают возможности для точной разработки гибридной пены с целью повышения звукоизоляции.

«Можно изменить свойства пенопласта, чтобы он стал превосходным звукопоглотителем , который гасит или даже полностью устраняет определенные частотные диапазоны и вибрации», — сказал Нараги.

Иными словами, этот глубокий, низкий гул в салонах самолетов и движущихся автомобилях, или резкий, громкий шум в жилых зданиях, могут быть уловлены и заглушены внутренним каркасом гибридной пены.

«Акустические применения пока находятся на ранних стадиях исследований, но мы хотели бы подробнее изучить это свойство, чтобы превратить пену в активный звуковой фильтр, превосходящий по своим характеристикам существующие материалы», — сказал Нараги.

Индивидуальный комфорт, разработанный с учетом потребностей клиента

Затем возникает вопрос о подушках и о том, как этот композитный материал военного класса может найти применение в домах, позволяя, по словам исследователей, осуществлять «зональную настройку» подушек.

«Благодаря нашей гибридной пене вы можете настроить различные зоны подушки в соответствии со своими предпочтениями», — сказал Нараги. «Например, жесткую для шеи, мягкую для спины и средней жесткости для ног. Ее можно полностью адаптировать под потребности, комфорт и физиологию человека».

Это означает конец эры универсальных подушек, и теперь каждый сантиметр кресла, матраса или дивана можно настроить так, чтобы обеспечить поддержку именно там, где она вам больше всего нужна.

Инновации, ориентированные на выполнение миссии

В эпоху, когда инновации развиваются со скоростью потребностей, партнерство с ARL и другими организациями, ориентированными на решение конкретных задач, помогает превращать смелые исследовательские идеи в практические, внедряемые решения, отвечающие национальным и глобальным приоритетам в области исследований.

«ARL выстраивает партнерские отношения с промышленностью и академическими кругами, чтобы привлечь лучших технических специалистов страны к решению важнейших задач армии», — сказал Ветцель.

Это сотрудничество является образцом широкой академической изобретательности и подхода к исследованиям Техасского университета A&M: превращение фундаментальных вопросов в перспективные, преобразующие возможности.

«Совместная работа в команде сыграла решающую роль в нашем успехе, — сказал Ветцель. — Команда профессора Нараги из Техасского университета A&M не только предложила инновационное решение, но и обладает достаточной академической подготовкой, чтобы понять фундаментальные принципы, лежащие в основе этого нового композитного материала. ARL обладает богатым опытом и экспертизой в применении энергопоглощающих материалов, что позволяет нам направлять исследования в направления, которые, как мы ожидаем, могут быть использованы в армейской технике».

В случае с этой новой суперпеной защита будущего уже обретает форму — она легче, прочнее и разработана с учетом всех нюансов.

«В Техасском университете A&M и в моей лаборатории мы стремимся предлагать инновационные решения, которые позволяют решать сегодняшние задачи и предвосхищают потребности завтрашнего дня», — сказал Нараги.