Двигатели автомобилей, которые потребляют меньше энергии и могут продолжать работать на низком уровне масла, не содержащие свинца сантехнические приборы и баки, которые достаточно легкие, чтобы их можно было перевозить по воздуху, но такие же прочные, как и более тяжелые варианты.
Звучит футуристично, но эти продукты уже стали реальностью благодаря материалам, расширяющим границы возможного. Называемые композитами с литыми металлическими матрицами (MMC), они дешевле, легче и прочнее своих исходных сплавов. Фактически, MMC на основе алюминия, разработанный в Университете Висконсин-Милуоки (UWM), может заменить сплавы на основе железа.
«Эти композиты находят множество применений в транспортной, маломощной, аэрокосмической и компьютерной отраслях», - говорит Прадип Рохатги, заслуженный профессор инженерии из Висконсина, который впервые применил экономически эффективные методы производства этих композитов.
Сейчас это более чем 100-миллионная индустрия в год, MMC используются в компонентах для поездных тормозов, в устройствах управления температурой в компьютерах и даже в космических шаттлах и космическом телескопе Хаббла.
MMC создаются путем сочетания металла с материалами совершенно другого класса, такими как керамика и переработанные отходы. Объединение двух материалов - матрицы и армирующих материалов - приводит к удивительным структурным и физическим свойствам, недоступным в мире природы.
Но MMC не выросли бы так быстро без исследований Рохатги, который в настоящее время разрабатывает такие инновации, как композиты с наночастицами, которые могут обеспечивать такие качества, как самосмазывание, стойкость к истиранию и способность поглощать энергию.. Он также создает прочную «металлическую синтактическую пену».
"Одна вещь, которая удивляла меня на протяжении многих лет, это то, как легко было делать эти материалы", - говорит он.
Именно Рохатги адаптировал традиционный литейный процесс для синтеза алюминия и графита, что снизило стоимость массового производства MMC и позволило изготавливать более сложные формы.
С тех пор его лаборатория провела обширную работу по армированию алюминия такими элементами, как графит и частицы карбида кремния (керамика), для получения материалов, которые стали на 20-40 процентов прочнее. Алюминий с добавлением графита также самосмазывается, что делает его особенно ценным для использования в двигателях.
Стандартные алюминиевые поршни и цилиндры могут слипаться во время запуска холодного двигателя или когда двигателю требуется масло, говорит он. Но если детали изготовлены из алюминиево-графитового композита, двигатель частично защищен от заедания.
В этом году его лаборатория получила полмиллиона долларов из федерального бюджета на разработку более легких и прочных материалов для удовлетворения потребностей армии США в транспортных средствах, которые можно перевозить по воздуху и которые могут работать в течение длительного времени без дозаправки.
За всю работу, которую он проделал с крупными автомобильными компаниями и партнерами из Висконсина, такими как Oshkosh Truck Corp., Рохатги говорит, что самые большие пользователи MMC были не в транспорте, а в компьютерной индустрии.
Компьютерные приложения требуют меньших объемов, и у них часто есть деньги, чтобы инвестировать в новые технологии, говорит он. «Вы ищете Большой взрыв в одной области, а он происходит в другой».
Новейший класс MMC, который разрабатывает его лаборатория, обогащает алюминий наночастицами для производства материалов, которые могут выдерживать огромные нагрузки, являются исключительно прочными, но при этом легкими. Наночастицы меньше 100 нанометров (примерно размер бейсбольного мяча, уменьшенного до одной миллионной своего первоначального размера), и иногда они ведут себя не так, как более крупные частицы.
Наноструктурированный алюминий может быть в 10 раз прочнее обычных алюминиевых сплавов.
Третий тип MMC Rohatgi работает над превращением металлов в пену.
В отличие от пенополистирола, в котором воздух нагнетается в пластиковую матрицу, синтактический (металлический) пенопласт наполнен полыми микрошариками, вставленными в металлическую основу. Крошечные воздушные шары сделаны из переработанной «золы-уноса» - отходов, образующихся на угольных электростанциях, - и они содержат либо различные газы, либо вакуум внутри.
«Клетки меньше и имеют более правильную форму, чем пузырьки воздуха, что позволяет им лучше поглощать энергию в случае автомобильной аварии, а также эффективно поглощать звук», - говорит он. «Они также очень легкие, и алюминиевая пена может быть интересна в вопросах национальной безопасности. Она может сделать здания, в том числе бомбоубежища, более взрывозащищенными и огнестойкими».
Сейчас, на 20-м году работы в UWM, Рохатги продолжает помогать литейным предприятиям, таким как Eck Industries в Манитовоке, диверсифицировать свой бизнес с помощью литья MMC, давая им защиту от конкуренции со стороны других стран, где рабочая сила дешевле.
Его лаборатория исследует методы, которые позволят промышленным предприятиям производить композитные компоненты с повышенной скоростью, а новая технология выведет этот процесс за пределы завода, сделав возможным изготовление деталей на месте.
Военные США также заинтересованы в развитии возможности быстрого производства запасных частей для транспортных средств прямо на поле боя. По словам Рохатги, технологии быстрого производства могут быть расширены за счет использования легких материалов для имплантатов для замены кости и тканевых каркасов, что улучшит лечение раненых солдат в мобильных условиях.
«Единственный способ сохранить жизнеспособность литейных заводов - это помочь им разработать ускоренные технологии для производства компонентов из передовых легких материалов», - говорит Рохатги. «Это дает старому производству средства для производства высокотехнологичной продукции».