Ñëó÷àéíàÿ íîâîñòü èç Àðõèâà Íàíîðåøåòêà ïðî÷íåå òèòàíà
13.02.2025
Ñîçäàíèå ëåãêèõ è ïðî÷íûõ ìàòåðèàëîâ âñåãäà áûëî îäíîé èç êëþ÷åâûõ çàäà÷ äëÿ èíæåíåðîâ è ó÷åíûõ. Îñîáåííî àêòóàëüíà ýòà ïðîáëåìà äëÿ àýðîêîñìè÷åñêîé îòðàñëè, ãäå ñíèæåíèå âåñà êîíñòðóêöèé ìîæåò ïðèâåñòè ê çíà÷èòåëüíîé ýêîíîìèè òîïëèâà è ïîâûøåíèþ ýôôåêòèâíîñòè. Òðàäèöèîííûå ìàòåðèàëû, òàêèå êàê àëþìèíèé è òèòàí, îáëàäàþò îãðàíè÷åíèÿìè, à óãëåðîäíîå âîëîêíî, õîòÿ è ÿâëÿåòñÿ ïðîðûâíûì ìàòåðèàëîì, íå âñåãäà ìîæåò îáåñïå÷èòü íåîáõîäèìûå õàðàêòåðèñòèêè. È âîò, èññëåäîâàòåëè èç Óíèâåðñèòåòà Òîðîíòî ïðåäñòàâèëè ðåâîëþöèîííûé ìàòåðèàë, êîòîðûé ìîæåò êàðäèíàëüíî èçìåíèòü ñèòóàöèþ.
Ó÷åíûå ðàçðàáîòàëè óíèêàëüíûé ìàòåðèàë, êîòîðûé ñî÷åòàåò â ñåáå ëåãêîñòü è âûñî÷àéøóþ ïðî÷íîñòü. Ñåêðåò ýòîãî äîñòèæåíèÿ çàêëþ÷àåòñÿ â èñïîëüçîâàíèè íàíîñòðóêòóðèðîâàííûõ ìàòåðèàëîâ, êîòîðûå èìèòèðóþò ïðèðîäíûå ôîðìû, òàêèå êàê êîñòè, ðàêóøêè èëè ñîòû. Ýòè ôîðìû îáåñïå÷èâàþò ðàâíîìåðíîå ðàñïðåäåëåíèå íàãðóçêè, ïðåäîòâðàùàÿ îáðàçîâàíèå ñëàáûõ ìåñò, ãäå ìîæåò íà÷àòüñÿ ðàçðóøåíèå.
Äëÿ ïîèñêà îïòèìàëüíûõ ôîðì èññëåäîâàòåëè ïðèìåíèëè áàéåñîâñêóþ îïòèìèçàöèþ - ìåòîä ìàøèííîãî îáó÷åíèÿ, êîòîðûé ïîìîãàåò âûáèðàòü ëó÷øèé âàðèàíò ñðåäè ìíîæåñòâà âîçìîæíûõ. Áûëè èñïîëüçîâàíû äàííûå èç òûñÿ÷ êîìïüþòåðíûõ ñèìóëÿöèé, ÷òîáû îïðåäåëèòü íàèáîëåå ýôôåêòèâíûå ôîðìû äëÿ ñâîèõ êàðáîíîâûõ íàíîðåøåòîê.
"Íàíîàðõèòåêòóðíûå ìàòåðèàëû ñî÷åòàþò âûñîêîýôôåêòèâíûå ôîðìû, ïîäîáíûå òðåóãîëüíûì êîíñòðóêöèÿì â ìîñòàõ, íî íà íàíîóðîâíå, ÷òî ïîçâîëÿåò äîñòè÷ü ðåêîðäíîãî ñîîòíîøåíèÿ ïðî÷íîñòè ê âåñó", - îáúÿñíÿåò Ïèòåð Ñåðëñ, ãëàâíûé àâòîð èññëåäîâàíèÿ.
Àëãîðèòì ñîçäàë òûñÿ÷è âîçìîæíûõ êîíñòðóêöèé, êîòîðûå òåñòèðîâàëèñü â âèðòóàëüíîé ñðåäå ñ ïîìîùüþ ìåòîäà êîíå÷íûõ ýëåìåíòîâ.
Çàòåì êîìïüþòåðíàÿ ïðîãðàììà ïîñòåïåííî ñîâåðøåíñòâîâàëà ýòè êîíñòðóêöèè, ïîêà íå íàøëà îïòèìàëüíûå ñòðóêòóðû ñ ìàêñèìàëüíîé ïðî÷íîñòüþ è æåñòêîñòüþ ïðè ìèíèìàëüíîì âåñå. Îòîáðàííûå êîíñòðóêöèè èññëåäîâàòåëè âîñïðîèçâåëè ôèçè÷åñêè ñ ïîìîùüþ äâóõôîòîííîé ïîëèìåðèçàöèè - ìåòîäà 3D-ïå÷àòè ñ íàíîìåòðîâîé òî÷íîñòüþ. Îíè ñîçäàëè ðåøåòêè, ñîñòîÿùèå èç ñòðóêòóð òîëùèíîé âñåãî îò 300 äî 600 íì. Çàòåì ýòè ðåøåòêè (6,3õ6,3õ3,8 ìì), ñîñòîÿùèå èç 18,75 ìëí îòäåëüíûõ êëåòîê, ïîäâåðãàëèñü ïèðîëèçó - íàãðåâàíèþ äî 900°C â ñðåäå àçîòà, ÷òî ïðåâðàùàëî ïîëèìåð â ñòåêëîâèäíûé óãëåðîä.
Îïòèìèçèðîâàííûå íàíîðåøåòêè áîëåå ÷åì âäâîå óâåëè÷èëè ïðî÷íîñòü ïðåäûäóùèõ êîíñòðóêöèé. Îíè âûäåðæàëè íàãðóçêó 2,03 ìåãàïàñêàëÿ íà êóáè÷åñêèé ìåòð íà êèëîãðàìì ïëîòíîñòè.  ïåðñïåêòèâå ýòî áîëåå ÷åì â 10 ðàç ïðåâîñõîäèò ïðî÷íîñòü ìíîãèõ ëåãêèõ ìàòåðèàëîâ, òàêèõ êàê àëþìèíèåâûå ñïëàâû èëè óãëåðîäíîå âîëîêíî. Îíè òàêæå â 5 ðàç ïðî÷íåå òèòàíà.
"Ýòî ïåðâûé ñëó÷àé, êîãäà ìàøèííîå îáó÷åíèå èñïîëüçîâàíî äëÿ îïòèìèçàöèè íàíîñòðóêòóðèðîâàííûõ ìàòåðèàëîâ, è ðåçóëüòàòû íàñ ïîðàçèëè", - îòìåòèë Ñåðëñ.
"ÈÈ íå ïðîñòî ïîâòîðÿë èçâåñòíûå óäà÷íûå ãåîìåòðèè, à ñîçäàâàë ñîâåðøåííî íîâûå ýôôåêòèâíûå ôîðìû". Èíòåðåñíî, ÷òî ÷åì ìåíüøå íàíîðåøåòêè, òåì îíè ïðî÷íåå. Ýòî ñâÿçàíî ñ "ýôôåêòîì ðàçìåðà" - ÿâëåíèåì, ïðè êîòîðîì ìàòåðèàëû íà ÷ðåçâû÷àéíî ìàëûõ ìàñøòàáàõ âåäóò ñåáÿ èíà÷å. Ó÷åíûå îáíàðóæèëè, ÷òî ïðè óìåíüøåíèè äèàìåòðà óãëåðîäíûõ áàëîê äî 300 íàíîìåòðîâ èõ ïðî÷íîñòü ðåçêî âîçðàñòàëà. Ýòî îáúÿñíÿåòñÿ òåì, ÷òî íà íàíîóðîâíå àòîìû óãëåðîäà âûñòðàèâàþòñÿ â ñòðóêòóðû, êîòîðûå îáåñïå÷èâàþò ìàêñèìàëüíóþ æåñòêîñòü.
Âíåøíèé ñëîé áàëîê ñîñòîÿë íà 94% èç sp2-ñâÿçàííîãî óãëåðîäà, êîòîðûé èçâåñòåí ñâîåé èñêëþ÷èòåëüíîé ïðî÷íîñòüþ. Áëàãîäàðÿ ýòîìó ìàòåðèàë âûäåðæèâàåò îãðîìíûå íàãðóçêè, íå ëîìàÿñü. Ýòîò ïðîðûâ ìîæåò çíà÷èòåëüíî èçìåíèòü àýðîêîñìè÷åñêóþ îòðàñëü, ïðîèçâîäñòâî ñàìîëåòîâ, âåðòîëåòîâ è êîñìè÷åñêèõ àïïàðàòîâ. Áîëåå ëåãêèå äåòàëè ïîçâîëÿò óìåíüøèòü ðàñõîä òîïëèâà è ñîêðàòèòü âûáðîñû. "Íàïðèìåð, çàìåíà òèòàíîâîãî êîìïîíåíòà ñàìîëåòà íà íàø ìàòåðèàë ìîæåò ñýêîíîìèòü 80 ëèòðîâ òîïëèâà â ãîä íà êàæäûé êèëîãðàìì çàìåíåííîãî ìàòåðèàëà", - îòìå÷àåò Ñåðëñ.
Èññëåäîâàòåëè ïëàíèðóþò ìàñøòàáèðîâàòü ñâîè ðàçðàáîòêè äëÿ êîììåð÷åñêîãî èñïîëüçîâàíèÿ. Èõ ñëåäóþùèå øàãè áóäóò íàïðàâëåíû íà ñîçäàíèå ïîëíîöåííûõ êîíñòðóêöèé ñ ýòèìè ìàòåðèàëàìè, ñîõðàíÿÿ èõ ïðî÷íîñòü è ëåãêîñòü. Òàêæå ïëàíèðóåòñÿ ïðîäîëæàòü ïîèñê íîâûõ êîíñòðóêöèé, êîòîðûå ïîçâîëÿò åùå áîëüøå óìåíüøèòü ïëîòíîñòü ìàòåðèàëà áåç ïîòåðè ïðî÷íîñòè. Ýòî îòêðûòèå ÿâëÿåòñÿ ÿðêèì ïðèìåðîì òîãî, êàê ñîâðåìåííûå òåõíîëîãèè, òàêèå êàê ìàøèííîå îáó÷åíèå è íàíîòåõíîëîãèè, ìîãóò ïðèâîäèòü ê ñîçäàíèþ ðåâîëþöèîííûõ ìàòåðèàëîâ, ñïîñîáíûõ èçìåíèòü íàø ìèð.
|