Zespół naukowców z Uniwersytetu Durham, pod kierownictwem dr. Stefana Szyniszewskiego opracował nowy metamateriał o nazwie Proteus, który dzięki unikalnej budowie jest odporny na wszelkie próby przecięcia przy pomocy narzędzi mechanicznych. Materiał został wykonany ze spienionego aluminium, w którym umieszczono kulki ceramiczne z tlenku glinu. Tym sposobem Proteus, pozyskiwany z surowców aluminiowych, jest lekki i relatywnie tani.
Swoje właściwości zawdzięcza strukturze wewnętrznej, inspirowanej budową skórki grejpfrutów i muszli słuchotek – ślimaków morskich z rodziny Haliotidae. Muszla słuchotek, dzięki strukturze złożonej z mineralnych cegiełek, przeplatanych warstwą elastycznego biopolimeru – konchioliny, jest dwa tysiące razy wytrzymalsza od aragonitu, który stanowi 90% składu chemicznego jej skorupy. Proteus wykorzystuje podobne zjawisko: podczas cięcia, ostrze narzędzia wprawia w drgania elementy ceramiczne, co skutkuje wypchnięciem ostrza. Przy zwiększeniu obrotów ostrza tnącego, czy też wiertła, wibracje wzrastają, a oprócz tego dochodzi także do rozdrobnienia kulek ceramicznych, których drobiny wnikają w strukturę metalicznej pianki, dodatkowo ją umacniając, co prowadzi do stępienia narzędzia. Podobnie nieskuteczne okazuje się cięcie metodą waterjet, gdyż kulisty kształt elementów ceramicznych powoduje rozszczepienie strumienia tnącego. Próbki materiału Proteus poddano testom porównawczym z płytami pancernymi ze stali Mars 220, z wykorzystaniem szlifierek kątowych, wiertarek i wysokociśnieniowej wycinarki waterjet. Doświadczenia wykazały odporność nowego metamateriału na cięcie metodami zdolnymi przecinać stal pancerną.
Gotowe elementy wykonane przy użyciu takiego materiału dają się kształtować jedynie w ograniczonym stopniu. Dlatego żądany kształt wykonywanego produktu należy uwzględnić przygotowując prefabrykowane elementy do obróbki cieplnej. Skompresowane bloczki aluminiowego proszku, wymieszanego z czynnikiem spieniającym (wodorek tytanu TiH2) układane są na przemian z ceramicznymi kulkami w stalowym pojemniku. Podczas obróbki cieplnej, w temperaturze ok. 470 °C wodorek tytanu ulega dekompozycji, uwalniając wodór, co prowadzi do spienienia stopionego aluminium, które wypełnia całą wolną przestrzeń, wiążąc jednocześnie ze sobą kulki ceramiczne. Powstała struktura ulega utrwaleniu podczas stygnięcia.
Proteus został opracowany z myślą o zastosowaniu do produkcji zabezpieczeń i blokad. Rozważa się także wykorzystanie tego materiału w nowego typu lekkich osłonach balistycznych.
dur.ac.uk
Szyniszewski, S. et al.: Non-cuttable material created through local resonance and strain rate effects. Sci Rep 10, 11539 (2020)
