Британские ученые напечатали на 3D-принтере из стали и пластика метаматериалы, чья макроскопическая структура похожа на кристаллические решетки сплавов и сталей после процедуры повышения прочности, которая обычно используются в металлургии. Эксперименты показали, что поведение таких материалов сходно с поведением упрочненных кристаллических решеток, и они оказываются значительно прочнее материалов с другой структурой.

Статья опубликована в журнале Nature.

Одна из важнейших задач материаловедения — создание легких материалов, не уступающих по прочности сплавам металлов и сталям. С изобретением 3D-печати появилась возможность создавать сложнейшие геометрические схемы.

Ученые под руководством Мин Сон Фама (Minh-Son Pham) из Имперского колледжа Лондона воспользовались этой технологией для создания трехмерных микроструктурированных материалов, которые в миллиметровых масштабах повторяли структуру кристаллической решетки металлов. Такие материалы создавали и раньше, но они обладали прочностью только против одного направления приложения давления, так как все ячейки были ориентированы одинаково. Теперь ученые создали и протестировали конструкцию, состоящую из участков таких «кристаллов», которые были ориентированы по разным направлениям относительно соседних. При таком расположении «зерен», границы между доменами предотвращали смещение вдоль плоскости скольжения решетки и придавали таким образом дополнительную прочность материалам.

Они смоделировали и напечатали конструкции из повторяющихся элементарных ячеек кубических гранецентрированной (ГЦК) и объемноцентрированной (ОЦК) и гранецентрированной тетрагональной решеток, которые повторяли кристаллические решетки разных сплавов и сортов стали, но с ячейками размером в несколько миллиметров. При этом они воспроизвели особенности, которые возникают под действием разных методов упрочнения металлических конструкций.

Механические испытания материалов из нержавеющей стали (слева) и полиактида (справа). / Minh-Son Pham, Chen Liu, Iain Todd & Jedsada Lertthanasarn, Nature, 2019

Авторы воспроизвели три таких способа — использование закона Холла-Петча, модификация и укрепление за счет отличий кристаллических фаз. С помощью соотношения Холла-Петча они рассчитали размеры и ориентации зерен кристаллов одной структуры, обеспечивающие наибольшую прочность материала, и создали куб (со стороной 40 миллиметров) из таких зерен.

Второй способ предполагает создание ориентированной по одному направлению структуры решетки, но включающей элементарные ячейки другой структуры. Авторы статьи включили несколько гранецентрированных тетрагональных решеток в матрицу ГЦК решеток.

Третий способ совмещает предыдущие два — конструируется структура, состоящая из решеток разных типов, которые по-разному ориентированы друг относительно друга. В качестве материалов, исследователи использовали нержавеющую сталь и полиактид (полимерный материал, который часто используют для печати трехмерных изделий).

Копирование кристаллических зерен с различной ориентацией структуры. / Minh-Son Pham, Chen Liu, Iain Todd & Jedsada Lertthanasarn, Nature, 2019

Структура, состоящая из двух видов кристаллической решетки. / Minh-Son Pham, Chen Liu, Iain Todd & Jedsada Lertthanasarn, Nature, 2019

Копирование кристалллических зерен с разными решетками и ориентациями. / Minh-Son Pham, Chen Liu, Iain Todd & Jedsada Lertthanasarn, Nature, 2019

В некоторых случаях при деформации атомы перестраиваются, образуя новые кристаллические решетки. Материаловеды создали структуру, напоминающую решетку Креслинга, имитирующую переход к гексагональной плотнейшей упаковке (ГПУ) при перемещении узлов. Под нагрузкой такая конструкция сжималась, а потом возвращалась в исходное положение. Энергия распределялась лучше, структура не разрушалась.

Изменяя положение узлов в подобных конструкциях, можно создавать материалы, способные распределять лишнее напряжение и возвращаться в исходное недеформированное состояние.

Ученые экспериментально показали схожесть поведения кристаллических структур и метаматериалов, созданных по их подобию, и эффективность применения методов металлургии к макромасштабным конструкциям. Авторы предполагают, что сочетание предложенных способов укрепления на разных уровнях (микро-, мезо- и макро- масштабах) позволит создавать особенно прочные и легкие материалы, которые могут быть использованы даже в авиации.

Иерархия структур в крупных объектах на примере лопасти турбины самолета / Minh-Son Pham, Chen Liu, Iain Todd & Jedsada Lertthanasarn, Nature, 2019

С помощью подходов, предложенных британскими учеными, становится возможным печатать материалы с заданной эластичностью, прочностью и массой, которые можно использовать для строительстве крупных объектов.