Специалисты разработали графеновую пену с биологическим происхождением — многообещающий композит для использования в авиации и космической отрасли. Ключевое преимущество материала заключается в его способности эффективно поглощать механические воздействия и вибрации, превосходя по этому параметру традиционные решения.
Автор: Йенс/Picture Alliance Источник: www.gettyimages.in
Ирина Медведева
Цель разработки — получить противоударный материал для автомобилей и авиации
Разработка устойчивого материала для автомобильной и авиакосмической промышленности велась под руководством Ганноверского лазерного центра (Laser Zentrum Hannover e.V., LZH). Учёные проекта Bio.3DGREEN первоначально синтезировали графеновую пену, исключив использование ископаемого топлива.
Цель их была амбициозна — заменить стандартные демпфирующие элементы на предприятиях автомобильного, авиационно-космического и судостроительного секторов.
Новый композит повторяет архитектуру природных систем, но одновременно соответствует строгим промышленным стандартам
Потребность в сверхлегком, долговечном и экологичном материале существовала в инженерной практике долгое время. Исследователи обратились к природным образцам, что позволило создать биографеновые пеноматериалы. Их основа — это наноструктурированная пористая архитектура, обладающая минимальной массой и произведенная из возобновляемых источников с применением нанотехнологий.
Рассмотрим, например, лежащую в основе нового биографена губчатую костную или растительную ткань: они обладают прочностью, несмотря на значительную долю пустот в структуре. По аналогичному принципу исследователи организовали графен в трёхмерную сеть. Результатом стал композиционный материал, который можно многократно подвергать сжатию — он каждый раз восстанавливает первоначальную конфигурацию.
Биологическая основа — растительное сырье
Основное достоинство технологии — исходное сырьё. Производство отказалось от нефтехимических продуктов, перейдя на компоненты растительного происхождения.
Это существенно сокращает углеродный след и полностью соответствует корпоративным стандартам устойчивого развития. Биографен обладает крайне низкой массой, но способен выдерживать значительные ударные нагрузки. Материал мгновенно рассеивает энергию, обеспечивая защиту чувствительных элементов механизмов.
В ситуациях, где обычные полимерные материалы подвержены растрескиванию и постепенной деградации, графеновая пена сохраняет структурную целостность даже после тысяч циклов экстремальных нагрузок. Такое сочетание эластичности и стойкости делает эту разработку основным кандидатом для замены тяжелых металлических сплавов в условиях работы техники на предельных режимах.
Аддитивное производство
Однако перед широким внедрением необходимо решить ряд технических задач. Материал планируется производить методами 3D-печати, что представляет определённые сложности. Печатная паста, состоящая из металлических частиц и растительного масла, требует особой системы дозирования и подачи.
Кроме того, как отмечается, физикам необходимо определить оптимальную длину волны лазера для точного и контролируемого спекания сырья. Участники проекта Bio.3DGREEN уверены, что 3D-печать графеном вскоре станет наиболее экономически эффективной технологией для массового производства ударопрочных и легких компонентов.
Перспективы биографена
После завершения испытательных процедур материал, несомненно, привлечёт внимание крупных предприятий аэрокосмической отрасли. Усиление экологических требований и повышение стандартов к материалам лишь сократит путь биографена из исследовательских лабораторий к серийному производству.
Это материал следующего поколения. При условии получения необходимого финансирования, биографеновые пеноматериалы могут фундаментально трансформировать подход к созданию конструкционных элементов для сложной техники будущего.
Экспериментировать, создавая композитную «суперпену» с заданными свойствами — популярное направление в прикладной науке. Журнал «Химагрегаты» недавно писал о аналогичных разработках учёных из Техасского университета A&M. Совместно со специалистами Исследовательской лаборатории армии США DEVCOM они создали гибридный материал с внутренними распорками, который поглощает энергию удара в десять раз эффективнее стандартных амортизаторов и прокладочных элементов.