Materjaliteadlased on aastakümneid püüdnud lahendada peaaegu võimatuna näivat dilemmat: kuidas luua materjal, mis oleks sama tugev kui teras, kuid mitu korda kergem ning säilitaks oma omadused ka äärmuslikus kuumuses. Seni tuli alati teha kompromiss kaalu, tugevuse või hinna vahel.
Nüüd on Toronto Ülikooli inseneride meeskond välja tulnud lahendusega, mis võib kogu valdkonda muuta. Uurijad on näidanud, et on võimalik ühendada väga väike tihedus ja väga suur mehaaniline tugevus. Uus materjal kaalub ligikaudu kolmandiku tavalise konstruktsiooniterase massist, kuid saavutab sellega sarnase tugevuse taseme.
Veelgi olulisem on see, et materjal ei kaota oma tugevust kõrgetel temperatuuridel. Varem muutusid sellist tüüpi kerged metallid kuumuses liiga pehmeks ega sobinud keerukateks kandevkonstruktsioonideks. Uus kontseptsioon näitab, et on võimalik luua kerge komposiit, mis peab vastu nii väga madalatel kui ka väga kõrgetel temperatuuridel.
Mikroskoopiline raudbetoon
Inspiratsiooni saadi ehitusmaailmast – teadlased otsustasid jäljendada raudbetooni loogikat mikroskoopilisel tasemel. Traditsioonilises raudbetoonis annab betoonile tugevuse terasest armatuur. Sama põhimõte on rakendatud ka uues materjalis, kuid kasutusel on hoopis teist tüüpi metallisulameid.
Komposiidis, mis sai nimeks „RC AMC“, täidab armatuuri rolli titaanisulam Ti6Al4V, mis on vormitud peenikeste varbikeste võrgustikuks. Nende varbikeste läbimõõt on vaid umbes 0,2 millimeetrit, mistõttu struktuur meenutab väga peent ruudustikku. Tühimikud täidab alumiiniumi, räni ja magneesiumi segu, mida on lisaks tugevdatud alumiiniumoksiidi osakeste ja räni nanostruktuuridega.
Edu võti peitus kahe tootmistehnoloogia ühendamises. Titaanist võrk loodi metalli 3D-printimise teel, kus laserid sulatavad metallipulbri ja ehitavad üles vajaliku geomeetria. Seejärel lisati mikrovalu abil alumiiniumipõhine maatriks, mille tulemusel saadi ühtne ja erakordselt tugev komposiitmaterjal.
Rekordiline tugevus kuumuses
Katsetes toatemperatuuril ulatus komposiidi voolavuspiir umbes 700 megapaskalini, samas kui tavapärased alumiiniumisulamid jäävad reeglina alla 150 megapaskali. Survetugevus tõusis kuni 938 megapaskalini, mis on juba terasele lähedane tase. Veelgi muljetavaldavam on see, et 500 °C juures säilitas materjal 300–400 megapaskali suuruse tugevuse.
Tavaline alumiinium kaotab sellistes tingimustes peaaegu täielikult oma kandmisvõime ja langeb mõne megapaskalini. Teadlaste sõnul tagab stabiilsuse uus deformatsioonimehhanism, mida nad nimetavad võimendatud termiliseks kaksiktardumiseks. See võimaldab struktuuril jäigana püsida ka siis, kui metallid tavaliselt pehmeks muutuvad.
Võimalikud rakendusalad
Kõige suurem potentsiaal avaneb lennunduses, kus iga kilogrammi kokkuhoid vähendab kütusekulu ja suurendab lennuulatust. Reaktiivmootorites tõusevad temperatuurid sageli üle 400 kraadi, mistõttu kerge ja kuumuskindel komposiit võiks kujuneda märkimisväärseks läbimurdeks.
Praegu seab aga takistuseks kõrge tootmiskulu, sest 3D-printimine ja mikrovalu eeldavad kallist seadmeparki ja keerukat protsessi. Teadlased usuvad siiski, et tekivad niššid, kus parem jõudlus õigustab investeeringuid.
Lisaks lennundusele võib uus materjal olla kasulik autotööstuses (eriti elektrisõidukites), energeetikas, keemiatööstuse seadmetes ning ka sporditehnikas. Esmased uuringud näitavad väga suurt potentsiaali ning edasine levik sõltub sellest, kui kiiresti tehnoloogia muutub odavamaks ja kättesaadavamaks.
