Материаловеды из Швейцарской высшей технической школы Цюриха нашли новый способ армирования композитных материалов, основанный на использовании слабых магнитных полей.
Популярность композитов обусловлена тем, что они могут опережать металл по удельной прочности и иметь более высокую ударную вязкость, чем керамика. Чтобы получить требуемое сочетание свойств, при изготовлении таких материалов с полимерной матрицей обычно используют одномерные армирующие элементы вроде стальных, кевларовых или углеродных волокон диаметром в несколько десятков микрометров. Они увеличивают жёсткость вдоль одной из осей, но делают материал уязвимым в других направлениях; пытаясь избавиться от подобных нежелательных эффектов, конструкторы создают двумерные массивы из волокон или применяют двумерные армирующие пластины.

Известны и методики сложного «трёхмерного» армирования, но они не позволяют надёжно контролировать расположение усиливающих частиц, вследствие чего продукция часто оказывается не слишком качественной (расслаивается и демонстрирует низкое сопротивление удару). В природных «композитах» наподобие зубной эмали, дентина или материала, из которого строятся раковины беспозвоночных, структурные единицы, напротив, ориентируются очень точно, а потому никаких проблем с надёжностью не возникает.

Рис. 1. Сечение раковины галиотиса. Хорошо видно, что в верхнем её слое элементы из кальцита ориентируются вертикально, а расположенные ниже арагонитовые пластинки — горизонтально.
(Фото Science Photo Library / Keystone.)

Швейцарцы попытались решить задачу точного размещения и выравнивания элементов в матрице композита, используя внешнее магнитное поле. Поскольку традиционные микроразмерные армирующие компоненты плохо реагируют на такое управляющее воздействие, их пришлось предварительно покрывать суперпарамагнитными наночастицами. Выполнив несложные расчёты, исследователи выяснили, что магнитного поля с индукцией всего в 0,8 мТл будет достаточно для ориентирования немагнитных пластин и стержней длиной в 5 и 10 мкм с нанесёнными на них наночастицами оксида железа.
Экспериментальную проверку расчётной модели авторы провели с использованием 7,5-микрометровых пластин из оксида алюминия толщиной в 200 нм и 10-микрометровых тонких (1 мкм) стержней из полугидрата сульфата кальция. Структуры композитов, полученных с помощью микропластин, даны на рисунке ниже: буквами А и В отмечены образцы с горизонтальным и вертикальным расположением армирующих элементов, а буквой С — «двуслойный» материал. В нижней части рисунка показан более сложный пример последовательного воздействия горизонтального и вертикального полей на один и тот же образец с пластинами, в большей или меньшей степени покрытыми наночастицами. Ориентация микроразмерных элементов в этом случае зависела от того, какая часть их поверхности скрыта суперпарамагнитными наночастицами.
Учёные также измерили механические параметры готовых композитов, получив более чем достойный результат. Методика, по их словам, практически готова к применению на производстве, и первые композиты, изготовленные при участии слабых магнитных полей, должны появиться очень скоро.
Армирующие элементы выстраиваются при включении магнитного поля:

Рис. 2. Разные варианты размещения армирующих пластин в композите на основе полиуретана
(иллюстрация из журнала Science).

Полная версия отчёта опубликована в журнале Science; текст статьи можно загрузить отсюда.
Подготовлено по материалам IEEE Spectrum.