Inżynierowie z US Army Research Laboratory (ARL) w Adelphi w stanie Maryland i Arizona State University (ASU) z Tempe w Arizonie opracowali bardzo wytrzymałe tworzywo ze stopu miedzi i tantalu z myślą o zastosowaniach wojskowych, ale także cywilnych.
Nowe supertworzywo ze stopu miedzi i tantalu może mieć szerokie zastosowania wojskowe, w przypadku pojazdów opancerzonych czy osłon balistycznych żołnierzy. /Zdjęcie: US Army
Zgodnie z opublikowanymi informacjami, inżynierowie zastosowali w stopie 6,5-procentową domieszkę tantalu do miedzi, dzięki czemu w skrajnym temperaturach zatrzymuje on rozmiar ziaren miedzi w wielkościach rzędu około 50 nanometrów (miliardowej części metra). Przy większym udziale domieszki stwierdzono skłonność do amorfizacji nanostruktury (przeciwieństwo krystalizacji). Opracowanie stabilnego stopu było nie lada wyzwaniem technicznym.
Dzięki pracom inżynierów wojskowych i cywilnych uzyskano nanokrystaliczny stop o nadzwyczajnej odporności na skutki energii uderzenia, jak i ekstremalną temperaturę. Dlatego może on mieć zastosowanie wojskowe w przypadku pojazdów opancerzonych czy osłon balistycznych żołnierzy, ale także wszędzie tam, gdzie wymogiem jest ekstremalna wytrzymałość i dobre przewodnictwo elektryczne. Można by tu wskazać budownictwo czy badania kosmosu, a alternatywnymi głównymi materiałami stopów mogą być nikiel, żelazo czy aluminium.
Większość obecnie stosowanych stopów metali jest podatna na nagłe odkształcenie w wyniku działania energii kinetycznej lub temperatury. Gdy następuje to w dużym tempie, stop traci swoją plastyczność i zwiększa się jego kruchość, pochłaniając stosunkowo niewielką energię przed pęknięciem lub uszkodzeniem. Właśnie ta niedoskonałość stopów zmotywowała zespół badawczy do próby opracowania rozwiązania bardziej elastycznego, przy zachowaniu stałego poziomu wytrzymałości mechanicznej i stabilności mikrostruktury.
Stop miedzi i tantalu może wytrzymać temperaturę, przekraczającą 80% ich temperatury topnienia, a więc 1073°K (800°C), z bardzo niewielką zmianą mikrostruktury. Wadą nowego stopu, wynikającą z jego budowy, jest podatność na utlenianie, a co za tym idzie dosyć szybkie starzenie się. Pierwotnie zakładano także, że będzie miał wyższą wytrzymałość na wstrząsy cieplne, która jednak i tak pozostaje na bardzo wysokim poziomie, w porównaniu z obecnie stosowanymi materiałami. Prace nad rozwiązaniami, prowadzącymi dla tego stopu trwały przez ponad sześć ostatnich lat, na podstawie kontraktu ARL nr 911NF-15-2-0038 i środków z National Science Foundation (NSF) pozyskanym na podstawie umowy nr 1663287.
Zespoły badawcze Army Research Laboratory i Arizona State University kontynuują prace nad zastąpieniem stopu miedzi z berylem o podobnych właściwościach mechanicznych, przewodzenia, twardości i odporności na korozję. Zgodnie z ekspertyzami Międzynarodowej Agencji Badań nad Rakiem i Narodowego Programu Toksykologicznego w USA, poważną wadą tego stopu jest wywoływanie berylozy (przewlekłej choroby berylowej) w wyniku kontaktu z pyłem berylowym w czasie obróbki. Stop miedzi z tantalem jest krokiem w kierunku zwiększenia zarówno efektywności, jak i zapewnienia bezpieczeństwa pracujących przy nim ludzi (Opancerzenie australijskich CH-47F, 2018-07-09).
Analiza
Innym ciekawym rozwiązaniem w zakresie prac nad materiałami balistycznymi nowej generacji jest przezroczysty i termoplastyczny pancerz z elastomeru, opracowany przez US Naval Research Laboratory (NRL) z Waszyngtonu. Tworzywo jest lżejsze od obecnie stosowanych szyb kuloodpornych i składa się z miękkich polimerów kauczukowych. Co ciekawe podgrzany do temperatury ok. 100°C materiał staje się plastyczny, dzięki czemu możliwe jest naprawienie uszkodzeń. Wcześniej inżynierowie z NRL badali zastosowanie warstwowe polimerów polimocznikowych i poliizobutylenowych, zwiększających wydajność balistyczną pancerzy i hełmów.