Представьте, что «Титаник» столкнулся с айсбергом, получил пробоину в том же месте, но благополучно продолжил свой путь. Такой вариант развития событий был глупой фантазией в течение последних ста лет, ровно до того момента, пока в мае 2017 года Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого не запатентовал новую технологию получения пористого нетонущего металла, чем-то похожего на… поролон.
Поры позволяют варьировать толщину и жесткость конструкций при сохранении их веса – в этом преимущество новинки перед сплошным материалом. А при высокой пористости можно снижать плотность до уровня воды и даже ниже, что и позволяет металлу не тонуть. «В судостроении эта способность обеспечит непотопляемость даже в случае пробоев в корпусе», – отмечает заместитель заведующего Лабораторией легких материалов и конструкций СПбПУ Олег Панченко, который ответил на мои вопросы.
Олег Панченко считает, что у изобретения большое будущее. Фото из личного архива
– Олег Вячеславович, а как появилась идея создания такого материала?
– Честно, идея пришла случайно. Мы занимались водородом, изучали его влияние на механические свойства металлических материалов. Обнаружилось, что металл в жидкой фазе может образовывать поры. Если собрать их определенным образом, то получается пористый материал. Мы обратили внимание на то, что от количества пузырьков зависит плотность, и, в конце концов, пришли к получению нового материала – с очень высокой пористостью и, соответственно, низкой плотностью, которая может быть даже меньше плотности воды.
– Но если плотность такая низкая – разве материал не будет совсем непрочным?
– Да, механическая прочность здесь не очень высока. В этом и состоит уникальность нашей разработки: мы можем производить как однородный, так и неоднородный по пористости материал. В последнем случае это так называемые сандвичи, в которых основой все еще является пена, но к ней с одной или двух сторон прикрепляются листовые части, или же в ней создаются отдельные места с утолщениями. Это сплошные структуры, которые несут нагрузку и добавляют прочность. При этом в зависимости от толщины листовых частей плотность можно варьировать, и она, опять-таки, может быть меньше единицы. То есть материал может по-прежнему плавать, но иметь прочность, сходную со сплошным.
– Вы сказали, что материал может быть неоднороден не по всей площади, а только в необходимых местах. Как вы этого добиваетесь?
– Сам эффект пористости достигается, когда алюминий переплавляется и в него добавляется вспенивающий реагент, то есть водород. Неоднородность зависит от того, где его внести больше, а где меньше. В разных местах вы можете использовать разное количество водорода и таким образом увеличивать или уменьшать конечную плотность материала.
От количества пузырьков зависит плотность. Фото: СПбГУ, www.indicator.ru
– В каких сферах это свойство неоднородности особенно необходимо?
– Например, из такого материала можно делать транцы – это задняя часть алюминиевых катеров, на которые вешаются моторы. Когда вы управляете лодкой, вы меняете скорость и, соответственно, мощность двигателя. Если сильно газовать, то плохо сделанный транец будет прогибаться. Поэтому важно, чтобы у него был не очень большой вес, но достаточная жесткость, чтобы не менять свою форму и геометрию при езде. Вообще, пористый материал может быть применен в очень многих сферах.
– То есть не только в судостроении?
– Конечно нет. Его преимущества еще и в хорошей шумо- и теплоизоляции. Потенциально, можно делать устройства для запуска ракет. Мне видится некая трубка, которая имеет не сплошные стенки, а пористые: это позволит гасить шум. Также такая пена может использоваться как любой конструкционный материал даже в строительстве зданий. Например, фасадные плитки бывают из керамики, пластика и т. д., а можно сделать из такого алюминия. В этом случае он будет нести серьезную функциональную нагрузку: как минимум, теплоизолирующую, и к тому же, в моем представлении, выглядеть будет очень симпатично.
– А почему именно алюминий? Вы не планируете взять что-то другое?
– Сейчас мы варьируем композиции сплавов, которые можно использовать при вспенивании. Вначале был просто алюминий, теперь мы берем конструкционный или смешиваем его с кремнием. Но алюминий в качестве основы для пористого материала действительно уникален. Это связано с его физико-химическими свойствами и как раз с растворимостью водорода. В стали или железе можно получить пористую структуру, но их плотность гораздо выше, и добиться такого же малого удельного веса уже не получится. Смотрите, плотность воды – 1, алюминия – 2,7, а у стали – 7,8. Пористый материал будет плавать, если его плотность меньше единицы, значит, его объем в случае с алюминием надо увеличить в три раза, а в случае со сталью – в восемь, а это гораздо сложнее сделать.
Алюминиевый «сэндвич»: плавает, но не ломается. Фото: СПбГУ, www.indicator.ru
– Над чем вы сейчас работаете?
– Сейчас мы добавили два новых направления. Одно связано с порошковой основой, это позволит еще больше уменьшить плотность будущих материалов. Параллельно с этим мы занимаемся другим перспективным, на наш взгляд, направлением: созданием пены из композитов, изготовленных из металлической матрицы. При добавлении в сплошной алюминий углеродных трубок его прочность может возрасти примерно в три раза. Мы продолжаем над этим работать и ожидаем, что в будущем эффект будет еще сильнее и прочность возрастет.
– Если пористый материал так перспективен и есть так много способов его получения, то когда он появится на рынке?
– Для производства здесь не очень много проблем, но есть нюансы в использовании на практике. Каждая конструкция проходит достаточно долгий путь до того момента, когда ее начнут продавать. В большей степени он связан с документами и нормативными актами, которые описывают множество процессов: сварку, сборку, расчет на прочность и т. д. Для каждого процесса есть ГОСТы, из-за чего некоторые материалы ограничены в применении. Сколько времени займет разработка и смена ГОСТов, чтобы пустить в производство наш материал, – вопрос сложный. Все зависит от того, сколько людей будут в этом заинтересованы. Их уже много.
– Значит, больше всего проблем доставляет бумажная волокита?
– Да, причем бюрократическая система сильно меняется в зависимости от того, куда применять изобретение. Для фасадов почти нет ограничений, а с судостроением совсем иная история. Здесь нужно организовать цепочки испытаний, списывание конструкций, спусковые расчеты, подписание документов с Российским морским и речным регистрами и т. д. В этом направлении мы толкаемся, но не всё сразу.
– Будет ли ваш материал экономически выгоднее традиционных?
– В любом случае он будет дороже традиционных материалов. Поначалу что-то новое всегда дорого, но с увеличением его внедрения и применения себестоимость производства становится все ниже. Простой пример с электромобилями: изначально никто даже не рассматривал, что это возможно, потому что их производство стоило космических денег, но сейчас эти машины уже ездят по городам. Здесь примерно такая же история, просто мы находимся в начале пути.
Это новость от журнала ММ «Машины и механизмы». Не знаете такого? Приглашаем прямо сейчас познакомиться с этим удивительным журналом.
