«Бриллианты навсегда». Или так гласит поговорка.
Исследователи Технического колледжа Техасского университета A&M и Университета Райса при поддержке Управления научных исследований ВВС подвергли это утверждение окончательному испытанию.
Они выковали алмазный композит, а затем направили его прямо на линию огня, взорвав его алюминиевыми снарядами, летящими со скоростью, более чем в восемь раз превышающей скорость звука.
Исследователи ожидали ущерба; вместо этого они обнаружили метаморфозу атомного масштаба — и доказательство того, что алмазы не обязательно вечны.
В течение микросекунд после удара части алмазного композита превратились в графит, более мягкую форму углерода, которая мгновенно действовала как амортизатор.
Исследование, опубликованное в журнале Materials Today, раскрывает, как сверхтвердые материалы ведут себя при экстремальных ударах и механических нагрузках. Эти знания могут помочь инженерам разработать экранирующие и защитные материалы нового поколения для авиационных, оборонных и космических технологий.
Техасскую команду A&M возглавляли г-н Аникет Моут, докторант машиностроения, и доктор Томас Лейси, профессор машиностроения.
«Преобразование алмаза в графит может помочь в разработке материалов следующего поколения для экстремальных условий, которые будут служить национальным и глобальным исследовательским интересам», — сказал Лейси.
Бриллианты на защиту
Жестокие силы, которые приводят в действие — и в то же время опустошают — современные самолеты, космические корабли и системы обороны, разделяют единую жестокую реальность: они зависят от материалов, которые могут сломаться, деформироваться или выйти из строя, и все это за долю времени, которое требуется, чтобы моргнуть.
В условиях сокрушительного давления, палящих температур и гиперзвуковых скоростей инженеры пытаются понять, что происходит с материалами в эти мимолетные моменты между ударом, ударом и разрушением.
Превращение алмаза в графит дает редкую возможность увидеть эти мимолетные моменты.
«Мы спросили: можем ли мы воспроизвести и изучить в контролируемых условиях поведение материалов, подвергающихся экстремальным условиям?» – сказал Мот. «В данном случае мы исследовали гиперзвуковое воздействие на цель из алмазного композита».
Вместо того, чтобы просто зафиксировать, как алмазный композит ведет себя и меняется при сильном шоке, исследование выявило нечто гораздо более фундаментальное.
«Мы зафиксировали фазовое изменение материала и записали, как материал переходил из одного состояния в другое», — сказал Лейси.
Проще говоря, мощные ударные волны, создаваемые алюминиевыми снарядами, быстро реорганизовали жесткую внутреннюю структуру алмазного композита, превратив ее части в графит, существенно более мягкий материал, который помогал поглощать, рассеивать и перераспределять силу гиперзвуковых снарядов.
Понимание того, когда и как происходит эта трансформация, может иметь значительный практический потенциал.
«Фазовый переход происходит почти мгновенно, и это может помочь в разработке и проектировании материалов, которые смогут лучше противостоять экстремальным условиям окружающей среды», — сказал Лейси.
Для гиперзвуковых и космических аппаратов эти знания помогут создать прочные материалы, способные выдерживать жестокие ударные волны и механические напряжения, возникающие во время высокоскоростных полетов.
В оборонном применении полученные результаты могут помочь в разработке экранирующих и защитных материалов, способных не только выдерживать интенсивные удары, но и управлять передачей энергии через цель, потенциально смягчая или, возможно, даже нейтрализуя серьезные удары.
«Проект дает нам новый взгляд на то, как сверхтвердые материалы ведут себя при гиперзвуковых воздействиях», — сказал Мот.
Хотя превращение алмаза в графит ознаменовало конец эксперимента, для команды и исследовательского сообщества в целом оно может ознаменовать начало новой эры материалов, созданных для того, чтобы пережить невозможное.
Ковка алмазов
Алмазы, выкованные из углерода в экстремальных условиях, ценятся за кристаллическую структуру углерода, которая делает их самым твердым из известных природных материалов.
Но синтез объемных алмазов из более мелких алмазных зерен уже давно является сложной задачей для инженеров и материаловедов.
Традиционные методы используют тепло и давление для сплавления более мелких алмазных зерен вместе. Однако в крайних случаях алмазы разрушаются и плавятся.
Чтобы решить эту проблему, исследователи из Университета Райса смешали два ингредиента с более мелкими алмазными зернами, а затем применили искровое плазменное спекание, чтобы объединить их в композит.
«Кубический нитрид бора и кобальт были добавлены в смесь, чтобы помочь связать и стабилизировать ее», — сказал Мот.
В результате получился плотный, прочный, объемный материал, который удерживал более мелкие частицы алмаза на месте.
Бриллианты под огнем
Чтобы оценить его долговечность, Моут и Лейси протестировали алмазный композит с помощью двухступенчатой газовой пушки.
«Двухступенчатая легкогазовая пушка может использоваться для запуска снарядов на сверхскоростях, чтобы оценить поведение материала цели на сверхвысоких скоростях», — сказал Лейси.
За несколько мгновений до испытания в лаборатории царит напряженная тишина, пока команды Техасского университета A&M и Университета Райса прорабатывают свой контрольный список безопасности, прежде чем запустить алюминиевые снаряды, летящие со скоростью примерно 6500 миль в час к мишени из алмазного композита.
Начинается обратный отсчет, затем запуск.
В течение микросекунд алюминиевые снаряды обрушиваются на двухступенчатую газовую пушку и поражают цель из алмазного композита, создавая каскад давления, ударов и тепла.
«Явления ударов измеряются и характеризуются с использованием современного диагностического оборудования», — сказал Лейси.
По всей длине пистолета расположены высокоскоростные камеры и сверхбыстрые датчики, которые зафиксировали жестокий удар в ходе двух экспериментов.
«В ходе первого испытания мы выпустили группу 1-миллиметровых алюминиевых картечных снарядов, летевших со скоростью почти 7,5 Маха. А во втором испытании мы выпустили один большой 4-миллиметровый алюминиевый снаряд со скоростью, приближающейся к 8,45 Маха», — сказал Мот.
Когда исследователи просмотрели отснятый материал и проанализировали мишень из алмазного композита под микроскопом, они сделали замечательное открытие.
«Мы обнаружили, что части алмазного композита превратились в графит», — сказал Лейси. «Было интересно наблюдать за этим изменением фазы в реальном времени».
Сжимая атомную решетку в более мягкий графит, преобразование алмазного композита помогло поглотить и рассеять кинетическую энергию на микроструктурном уровне.
Оказывается, алмазы не вечны — если их ударить на скорости, в 8 раз превышающей скорость звука.
Но для того, чтобы отразить эту трансформацию, требуется нечто большее, чем просто инновационный материал. Для этого требуется центр инноваций, способный воссоздать ответственные за него экстремальные условия: Лаборатория воздействия гиперскорости Техасского университета A&M (HVIL).
Инжиниринг экстремальный, на грани возможного
Расположенная в техасском кампусе инноваций и технологий A&M-RELLIS, лаборатория HVIL Лейси и Моута служит ведущей лабораторией аэробаллистики, в которой находится двухступенчатая легкая газовая пушка длиной 45 футов, предназначенная для поражения целей снарядами, летящими со скоростью более 29 000 миль в час, а затем анализа удара с помощью арсенала сложной диагностики.
«В HVIL мы обладаем высокой пропускной способностью и являемся одними из мировых лидеров по количеству выполняемых ежегодно прививок», — сказал Лейси.
Здесь столкновения — это не зрелище; это хирургические удары в неизведанное экстремальной физики и материаловедения, призванные стать первооткрывателями и стимулировать прорывы в области инженерии и национальной безопасности.
«Возможности HVIL позволяют нам определять характеристики, тестировать и моделировать экстремальные переходные изменения температуры и сверхскоростных нагрузок», — сказал Мот.
Благодаря своим новейшим возможностям HVIL подчеркивает стремление Texas A&M расширять границы науки, техники и образования.
«Наше внешнее сотрудничество помогает служить национальным интересам, используя опыт исследователей с совершенно разным опытом», — сказала Лейси.
Для студентов это редкий вид образования, когда занятия в классе уступают место впечатляющим открытиям и приложениям.
«Это единственное в своем роде обучение и опыт», — сказал Моут. «Управляя оружейной лабораторией, мы стремимся обеспечить максимальную эксплуатационную безопасность при обучении следующего поколения инженеров и ученых».
Среди бесчисленных воздействий и материалов, изученных в рамках HVIL, превращение алмаза в графит открывает простое, но глубокое понимание: даже самые твердые материалы способны изменяться.
В Техасском университете A&M исследователи разрабатывают новые материалы, выясняя, как они ведут себя и как их можно сделать долговечными — на самом краю возможного.
/ Публичный выпуск. Этот материал от исходной организации/автора(ов) может иметь характер на определенный момент времени и быть отредактирован для ясности, стиля и объема. Mirage.News не занимает институциональных позиций или сторон, и все взгляды, позиции и выводы, выраженные здесь, принадлежат исключительно автору(ам). Полный текст можно посмотреть здесь.
