Американские инженеры создали композитный материал, который при изгибе увеличивает свою жесткость в четыре раза. Сделанную из него гибкую пластину можно превратить в трехмерную структуру, которая выдерживает вес, в 50 раз превосходящий ее собственный. Эффект основан на кристаллизации переохлажденного металла, и поэтому такое затвердевание необратимо, пишут ученые в Materials Horizons.

Материалы, которые в ответ на внешнее воздействие резко меняют свои механические свойства (становятся упругими, пластичными или, наоборот, затвердевают, принимая нужную форму), могут использоваться в медицинских целях, для создания защитных элементов различных сенсоров или, например, для 3d-печати. Обычно резкая смена состояния таких материалов происходит в ответ на внешнее воздействие (например, нагрев, облучение или внешнее поле) или с результате химических реакций.

Инженеры из Университета штата Айова под руководством Майкла Бартлетта (Michael Bartlett) и Мартина Туо (Martin Thuo) разработали композитный материал, который резко увеличивает свою жесткость в ответ на механическое воздействие: он затвердевает, если его изогнуть или скрутить в спираль. Композит состоит из сферических переохлажденных металлических микрочастиц размером от 1 до 20 микрометров. Каждая из частиц состоит из двух фаз: внутреннее ядро из переохлажденного жидкого сплава Филда покрыто твердой оболочкой из его оксида. Для получения конечного композитного материала эти частицы помещают в упругую силиконовую матрицу.

Изменение микроструктуры композитного материала при деформации. B. S. Chang et al./ Materials Horizons, 2018

Поскольку жидкие металлические частицы находятся в метастабильном состоянии, при внешней нагрузке внешний оксидный слой разрушается, микрокапли жидкого металла сливается друг с другом и затвердевают. Это приводит к образованию довольно больших по размеру продолговатых микрообразований, которые фиксируют деформированную структуру.

Схематическое изображение и микрофотографии структуры композита до (сверху) и после (снизу) деформации. Справа представлена схема энергетических состояний материала. B. S. Chang et al./ Materials Horizons, 2018

В результате деформации модуль Юнга такого материала, содержащего 30 объемных процентов металла, увеличивается в четыре раза: с 20 до 80 мегапаскалей. Таким образом из изначально гибкой пластины можно получить жесткую трехмерную структуру. И если механические свойства начальной структуры определялись скорее параметрами упругой силиконовой матрицы, то в конечном состоянии свойства композита больше зависят от упругих свойств металлических образований, в результате чего изогнутая пластина легко может удерживать вес, в 50 раз превосходящий ее собственный.

По словам авторов работы, механические свойства композита зависят от объемной доли металла. Например, для материала, в которой объем металлических частиц и матрицы был примерно одинаковым, максимальное напряжение, при котором происходит увеличение модуля Юнга, составило только 33 мегапаскаля (оно привело к деформации примерно в 30 процентов), при больших давлениях модуль Юнга начинает падать из-за разрушения материала. Именно изменение объемной доли частиц и их размера исследователи предлагают использовать для настройки свойств композита.

Фотографии композита до и после деформации. Изогнутая пластина справа способна выдержать вес, превосходящий ее собственный в 50 раз. Christopher Gannon / Iowa State University

Инженеры отмечают, что предложенный ими материал для отклика на внешнее воздействие не требует внешних источников энергии, и при этом не использует химических реакций. Изменение его свойств вызвано релаксацией к термодинамически устойчивому состоянию.

Несмотря на довольно простой механизм затвердевания композита, основная сложность состоит в его получении — зафиксировать металлические частицы в метастабильном переохлажденном состоянии довольно непросто. Тем не менее авторам работы удалось найти достаточно простой способ, при котором нужные частицы образуются при вращении в нагретом до 145 градусов Цельсия органическом растворителе со скоростью в 22 тысячи оборотов в минуту. В результате окисления на поверхности частиц формируется нужная структура с переохлажденным металлом внутри и твердой оксидной оболочкой снаружи.

Ученые отмечают, что из-за того, что свойства композита основаны именно на чисто физическом механизме и требуют только фиксации метастабильного переохлажденного состояния, то подобный композит можно получить на основе других легкоплавких металлов. 

Кроме переохлажденных жидкостей, при внешнем механическом воздействии могут затвердевать, например, неньютоновские жидкости. Однако в отличие от переохлажденной жидкости, в этом случае не происходит как такового фазового перехода, но из-за нелинейного отклика на внешнее воздействие сильно меняется вязкость. Такой эффект некоторые разработчики предлагают использовать для создания легких бронежилетов, которые меньше ограничивают движения человека и затвердевают только при попадании в него пули.

Автор: Александр Дубов