211service.com
Keramika, kuri nesudužs
Keramika yra lengva ir kieta, bet jūs negalite iš jų pagaminti reaktyvinių variklių, nes jie sudužtų kaip pietų lėkštės. Taigi, medžiagų mokslininkai bandė imituoti natūralias medžiagas, kurios sujungia stiprumą (atsparumo deformacijai matą) su kietumu (atsparumo lūžimui matas). Visų pirma, jie pažvelgė į porėtą, bet elastingą medžiagą, vadinamą perlamutru, kuri iškloja abalų kriaukles. Dabar mokslininkai sukūrė perlamutrinių medžiagų gamybos laboratorijoje metodą. Šios naujos medžiagos turi panašias mechanines savybes kaip metalų lydiniai ir yra tvirčiausia kada nors pagaminta keramika. Naujasis metodas galėtų padėti sukurti keramines konstrukcines medžiagas energiją taupantiems pastatams ir lengviems, bet atspariems automobilių rėmams.
Didelė biomimika: Berklio tyrėjai pagamino didelius kietos keramikos gabalus, o kiti mokslininkai, imituojantys kietas natūralias medžiagas, sugebėjo padaryti tik plonas plėveles. Tvirta keramikos struktūra imituoja abalų kriauklių struktūrą. Šis skenuojamojo elektroninio mikroskopo vaizdas (apačioje), padarytas atliekant testavimą nepalankiausiomis sąlygomis, rodo vieną medžiagos atsparumo šaltinį: pažeidimai yra plačiai paplitę mažuose įtrūkimuose.
Perlamutras, taip pat žinomas kaip perlamutras, sujungia tvirto, bet trapaus kalcio karbonato plokšteles su minkštais baltyminiais klijais plytų ir skiedinio struktūroje, kuri yra 3000 kartų kietesnė nei bet kuri kita sudedamoji dalis. Paprastai, kai mokslininkai gamina kompozitus laboratorijoje, gautų medžiagų savybės yra vidutinės, palyginti su jų sudedamosiomis dalimis. Kai gamta gamina kompozitus, savybės yra geresnės, sako Robertas Ritchie , Kalifornijos universiteto Berklio Medžiagų mokslo ir inžinerijos katedros pirmininkė, kartu vadovavusi keramikos tyrimams. Taip yra todėl, kad gamtos kompozicijos turi sudėtingas struktūras, kurias sunku imituoti. Žmonės bandė, bet negali pasiekti tokios tobulos struktūros, sako Ritchie.
Daugelį metų mokslininkai bandė kurti naujas medžiagas, pagrįstas tvirtomis natūraliomis medžiagomis, tokiomis kaip perlamutras ir kaulas. „Berkeley“ keramika iš tikrųjų rodo, kad įkvėpimo semtis iš gamtos, norint susintetinti geresnes medžiagas, gali būti labai sėkminga, sakoma. Julija Greer , medžiagų mokslininkas iš CalTech.
Kad keramiką paverstų į perlamutru panašias struktūras, Berklio tyrėjai pirmiausia sukuria raštuojamos medžiagos – šiuo atveju aliuminio oksido – vandens suspensiją. Tada jie labai kontroliuojamai atšaldo. Jūs ištraukiate šilumą viename gale, aiškina Ritchie. Dėl to susidaro ilgos plonos struktūros, kurias tyrėjai įspaudžia į mikroskopines į plytas panašias struktūras, jas kaitinę, kad išgaruotų vanduo. Kai šis procesas kartojamas, susidaro sluoksniuotos porėtos aliuminio oksido plytų struktūra, sujungta viena su kita į koloną panašiomis konstrukcijomis – tomis pačiomis formomis, kurios yra ir natūraliame perlamutre. Tada, norėdami imituoti baltymų klijus abalono kiaute, mokslininkai užpildo erdves polimeru. Šis procesas aprašytas internete žurnale Mokslas šią savaitę. Kitos grupės gamino plonas plėveles iš biomimetinių medžiagų; Berklio grupei pavyko pagaminti didelius gabalus.
Neapmuštos polimero, plytos būtų trapios, kaip ir dauguma keramikos. Tačiau polimeras leidžia plytų pavidalo sluoksniams slysti vienas ant kito, kai yra įtemptas, todėl medžiaga yra atspari lūžiams. Iš tiesų, ši plytų ir skiedinio konstrukcija yra tvirtesnė nei bet kuri kada nors laboratorijoje pagaminta keramika. Didelis kietumas ir didelis stiprumas paprastai nesuderinami keramikoje, sako Erikas Stachas , Purdue universiteto medžiagų inžinierius, kuris nebuvo susijęs su Berklio darbu. Tačiau Berklyje sukurta keramika turi tiek pat stiprumo ir kietumo, kiek aliuminio lydiniai, su kuriais galite skristi lėktuvais, sako Stachas.
Nors jie įspėja, kad perlamutrinė keramika yra ankstyvoje vystymosi stadijoje, Berklio tyrėjai teigia, kad medžiagos turėtų sudaryti sąlygas pritaikyti keramiką, kuri atrodė nepasiekiama. Galite naudoti keramiką, kad padarytumėte automobilio rėmą, o ne plieną, ir sutaupysite degalų, sako Ritchie. Tyrimui vadovavęs Lawrence'o Berkeley laboratorijos medžiagų mokslininkas Antoni Tomsia teigia, kad tvirta keramika, kuri yra geras izoliatorius, gali atlikti dvigubą funkciją kaip energiją taupančių pastatų konstrukciniai elementai. Jie taip pat gali būti naudojami lengvose neperšaunamose liemenėse ir karinių transporto priemonių šarvuose.
Naujasis darbas, pasak medžiagų mokslininkų, parodo kelią į priekį kuriant kietas biomimetines medžiagas. Paulius Hansma , Kalifornijos universiteto Santa Barbaroje fizikos profesorius, darbą vadina stulbinančiu ir sako, kad naujosios keramikos savybės pakelia kartelę šioje svarbioje srityje.
Ritchie ir Tomsia yra įsitikinę, kad gali padaryti medžiagą dar geresnę. Natūralaus perlamutro keraminės struktūros yra daug mažesnės nei Berklio medžiagos, taip pat didesnis plytų ir skiedinio santykis. Ritchie sako, kad grupė siekia, kad keraminės plytos būtų mažesnės ir arčiau viena kitos bei sumažintų polimerų kiekį. Jie taip pat eksperimentuoja su įvairiais skiediniais. Kadangi naujai sukurtoje keramikoje yra klijų polimero, ji sugestų esant aukštai temperatūrai, pavyzdžiui, variklio viduje. Taigi Berklio mokslininkai eksperimentuoja su metaliniais užpildais, kurie gali atlaikyti aukštesnę temperatūrą.