Еще со времен работы в постдокторантуре Массачусетского технологического института Ханг Ю, доцент кафедры материаловедения и инженерии, боролся с проблемой создания керамики с эффектом памяти формы, которую можно было бы производить в больших масштабах без разрушения. Теперь, в сотрудничестве с аспирантом Донни Эрбом (выпуск 2015 г., магистр 2018 г.) и постдокторантом Нихилом Готавалой, он совершил прорыв.

Команда Ю использовала передовую технологию производства, называемую аддитивным фрикционным перемешиванием, для внедрения функциональных керамических частиц в металл. Результат? Прочный, бездефектный материал, способный к фазовому сдвигу под воздействием напряжения для рассеивания энергии и, в отличие от обычно хрупкой керамики, который можно напечатать на 3D-принтере в больших объемах с полной плотностью в исходном состоянии, что открывает возможности для практического применения в оборонной промышленности, инфраструктуре, аэрокосмической отрасли и даже в высокоэффективном спортивном оборудовании.

Оригинальное исследование команды было опубликовано в журнале Materials Science and Engineering R: Reports , а ведущим автором выступил Эрб, получивший стипендию Пратта в Виргинском технологическом университете.

«Этот композитный материал способен выдерживать растяжение, изгиб, сжатие и поглощать энергию за счет мартенситного превращения, вызванного напряжением», — сказал Ю. «В этом смысле он многофункционален. Это позволяет нам двигаться к созданию масштабных изделий с потенциалом для реального применения».

Раскрытие нового потенциала хрупкой керамики

Команда Ю не первая, кто пытается разгадать секрет керамики с эффектом памяти формы — материалов, которые изменяют свою внутреннюю структуру в ответ на напряжение или нагрев, а затем возвращаются к своей первоначальной форме. Они полезны, потому что могут двигаться или поглощать энергию без шестеренок или движущихся частей — это свойство наблюдается в таких металлах, как никель-титановые сплавы. Но заставить керамику работать в таких условиях оказалось гораздо сложнее.

«Когда я был постдоком, группа моего научного руководителя опубликовала статью в журнале Science , в которой показывалось, что если производить этот материал в микромасштабе , хрупкость керамики не является серьезной проблемой, и можно наблюдать эффект памяти формы», — сказал Ю. Но никто не мог понять, как масштабировать керамику с эффектом памяти формы, чтобы она могла применяться в конструкционных целях. Она постоянно разрушалась.

Новый подход заключается во внедрении мельчайших частиц керамики с эффектом памяти формы в металл, «как добавление шоколадной крошки в тесто для печенья», — сказал Ю. Затем смесь подается в машину для аддитивного фрикционного перемешивания, передовой производственный инструмент, который вращает сырье достаточно быстро, чтобы оно сплавлялось друг с другом, не плавясь. Полученный композитный металл содержит равномерно распределенную керамику, которая может смещаться, не разрушая всю структуру.

«Впервые в рамках этого исследования созданы объемные композиты на основе керамики и металла с эффектом памяти формы с использованием масштабируемого процесса твердотельной 3D-печати», — сказал Ю.

Более прочные материалы, более интеллектуальные решения.

Благодаря этой первой демонстрации фазового превращения, вызванного напряжением, в видимом, крупномасштабном масштабе, новый материал может преодолеть разрыв между академическими инновациями и реальными приложениями в промышленности, такими как гашение вибраций или поглощение ударов в оборонных системах, аэрокосмической отрасли, инфраструктуре и даже спортивных товарах.

Например, металл с добавлением керамики можно использовать в стержне клюшки для гольфа, чтобы уменьшить вибрацию, сохраняя при этом малый вес. «С помощью этого композита вы добавляете функциональность металлу, который уже подходит для определенного применения», — сказал Эрб.

Он добавил: «Это ситуация, как в фильме „Поле мечты“, когда, если мы это сделаем, кто-то найдет для этого интересные применения. Люди уже показали, что этот материал работает в микрометровом масштабе. Мы говорим: „Теперь вы можете получить его в любом количестве“. Мы осознали другой масштаб его применения».

Рост передового производства

Новое исследование подчеркивает роль Вирджинского технологического университета как ведущего центра передовых производственных исследований. Ю, сотрудник Центра передовых производственных технологий Virginia Tech Made, изучает возможности применения аддитивного метода осаждения трением с перемешиванием.

«Этот композитный материал настолько интересен, а функция памяти формы керамики — это то, над чем я работаю еще со времен постдокторских исследований. Сейчас меня в основном знают как специалиста по аддитивному осаждению методом трения с перемешиванием. Теперь я могу объединить эти два направления и создать новые ключевые области применения, и это очень захватывающе».