Ученые из Казанского федерального университета (Казань) с коллегами из Томского государственного университета (Томск) показали, что можно контролируемо понижать механические характеристики сплава никеля и титана за счет внесения в него пористости.
Авторы экспериментально исследовали механические свойства этого сплава с порами микронного размера (в десятки раз меньше миллиметра), а также при разном их распределении в материале. Так, поры могут располагаться изолированно друг от друга или же срастаться и образовывать каналы. Спекая порошок с гранулами титаната никеля, размеры которых варьировались в диапазоне от 100 до 200 микрон, исследователи изготовили образцы сплава с одиночными и «сросшимися» порами, а также промежуточными вариантами их распределения. Затем ученые определили прочностные характеристики сплавов с помощью экспериментов на растяжение. Случаи с порами нанометрового размера (в миллионы раз меньше миллиметра) физики исследовали с помощью методов компьютерного моделирования, а именно моделирования неравновесной молекулярной динамики. Этот метод позволяет описывать структуру вещества на атомном уровне, а потому подходит для исследования нанопористых материалов, когда размеры пор сопоставимы с размерами атома. Кроме того, данный метод позволяет с высокой точностью определять практически любые физические свойства исследуемых объектов.
Анализ показал: в целом показатель упругости образцов с порами нанометрового размера примерно в три раза больше, чем у сплавов с микронными порами. При этом пластичность и прочность нанопористых образцов примерно в 20 раз выше, чем у микропористых материалов.
Модуль упругости как функция пористости и среднего линейного размера пор на примере пористого сплава никеля и титана. Источник: Булат Галимзянов
После этого авторы систематизировали полученные экспериментальные данные и результаты моделирования, выведя общее уравнение, которое позволяет с точностью 96% определять, какими упруго-пластичными и прочностными свойствами будет обладать сплав с произвольной пористостью.
«Предложенные в ходе моделирования уравнения позволяют оценить ключевые механические характеристики материалов с произвольными пористостью и размером пор: от наноразмерных до пор величиной в десятые доли миллиметра. Полученные результаты можно использовать для решения прикладных задач, например, при создании материалов с необходимым сочетанием физико-механических характеристик, в частности пористых металлических биоматериалов»,— рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Анатолий Мокшин, профессор, доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой вычислительной физики Института физики Казанского федерального университета.
Если вы хотите стать героем публикации и рассказать о своем исследовании, заполните форму на сайте РНФ
