Zusammenfassung:
Titan wird aufgrund seiner hohen Festigkeit, seines geringen Gewichts und seiner hervorragenden Korrosionsbeständigkeit seit langem häufig in der Luft- und Raumfahrt, im Schiffsbau und in anderen Bereichen eingesetzt. Da Titan jedoch mehr als viermal dichter als Wasser ist, haben die Menschen dieses Metall nie mit „Schwimmen“ in Verbindung gebracht. Jetzt hat ein Forschungsteam am australischen Royal Melbourne Institute of Technology (RMIT University) erfolgreich eine Titanstruktur geschaffen, die auf dem Wasser schwimmen und einen langfristigen Auftrieb bei gleichzeitig hoher Festigkeit erreichen kann.
Was das Forschungsteam entwickelte, ist eine neue Struktur namens „schwimmendes Metall-Polymer-Metamaterial mit offenem Gitter“. Obwohl Titan selbst eine Dichte von etwa 4,43 Gramm pro Kubikzentimeter hat, was viel höher ist als die Dichte von Süßwasser, die etwa 1 Gramm pro Kubikzentimeter beträgt, veränderten die Forscher diese Eigenschaft durch spezielle Strukturkonstruktionen.
Um den Schwebeeffekt zu erzielen, konstruierten die Forscher mithilfe der 3D-Drucktechnologie ein Gitterskelett aus einer Ti-6Al-4V-Titanlegierung und konstruierten alle Stützbalken, aus denen das Gitter besteht, als Hohlstrukturen. Anschließend füllten sie das Innere dieser Hohlkanäle mit leichtem Polyurethanschaum. Die resultierende Verbundstruktur behält nicht nur die mechanischen Eigenschaften von Titanmetall bei, sondern erreicht auch einen stabilen Auftrieb.
Während des Experiments stellten die Forscher fest, dass selbst wenn das Material riss, die Verbindungsteile brachen oder sogar ein Teil der Gitterschicht als Ganzes beschädigt wurde, es immer noch schwimmen konnte und nicht im Wasser versank.
Der Grund, warum Materialien mit hoher Festigkeit und Auftriebskraft angestrebt werden, liegt darin, dass im Bereich der Schiffstechnik viele praktische Anforderungen bestehen. Bojen, Offshore-Überwachungssensoren, Offshore-Plattformen und verschiedene Meeresinfrastrukturen müssen nicht nur den kontinuierlichen Welleneinwirkungen standhalten, sondern auch der Korrosion des Meerwassers standhalten und trotz Beschädigung weiterhin funktionsfähig bleiben.
Obwohl derzeit weit verbreiteter Edelstahl und hochdichte Kunststoffe einige Anforderungen erfüllen können, weisen sie immer noch Einschränkungen hinsichtlich Festigkeit, Haltbarkeit und langfristiger Zuverlässigkeit auf. Titanlegierungen selbst weisen eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und Ermüdungsbeständigkeit auf und gelten daher schon immer als ideales Material. Allerdings schränkt die natürliche hohe Dichte den Einsatz in schwimmenden Anlagen ein.
Forscher sagten, dass sich die Menschen in der Vergangenheit hauptsächlich auf zwei Methoden verließen, um das Problem des Schwebens zu lösen. Eine besteht darin, die Hohlstruktur des Schiffes zu nutzen, um eine große Menge Luft einzuhüllen, und die andere darin, Materialien mit geringer Dichte wie Schaumstoff in die Ausrüstung einzufügen, um für Auftrieb zu sorgen. Der Aufstieg von Metallgitterstrukturen in den letzten Jahren liefert neue Ideen für dieses Problem.
Durch die 3D-Drucktechnologie kann nur eine geringe Menge Metall zum Aufbau einer riesigen Netzstruktur verwendet werden, wodurch ein extrem hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht erreicht wird. Die Gesamtdichte einiger Metallgitter beträgt weniger als ein Zehntel der von Wasser. Für den Einsatz in Meeresumgebungen waren solche Strukturen jedoch lange Zeit unpraktisch, da sich ihre offenen Poren schnell mit Meerwasser füllen und schließlich sinken.
Der Durchbruch des Forschungsteams löste dieses Problem. Anstatt das gesamte Gitter zu umschließen, füllten sie einfach die Innenseite der hohlen Titanträger mit Schaum. Dies ermöglicht nicht nur den ungehinderten Durchtritt des Meerwassers durch die Gitterstruktur, sondern sorgt auch dafür, dass der Gesamtauftrieb lange erhalten bleibt.
Um die Schwimmfähigkeit solcher Strukturen genauer beurteilen zu können, schlugen die Forscher außerdem eine neue Berechnungsmetrik vor – „Skelettdichte“.
Traditionelle Dichteberechnungen beziehen alle offenen Räume innerhalb des Gitters in den Volumenbereich ein, aber diese Räume werden tatsächlich von Wasser eingenommen und tragen nicht zum Auftrieb bei. Das neue Konzept der Skelettdichte berechnet nur die Teile, die wirklich Wasser abweisen können, einschließlich Wänden aus Titanlegierung und schaumgefüllten Bereichen.
Solange die Dichte des Skeletts geringer ist als die Dichte der umgebenden Flüssigkeit, kann dieser Theorie zufolge die gesamte Struktur auch dann noch stabil schwimmen, wenn eine große Anzahl äußerer Öffnungen den Durchtritt von Wasser ermöglichen.
Interessant sind auch die Ergebnisse des Leistungstests. Bei gleicher Gesamtdichte ist die Festigkeit dieser neuen schwimmfähigen Titanstruktur etwa 70 % höher als die von Edelstahl oder hochdichtem Polyethylen, die derzeit in der Schiffstechnik weit verbreitet sind.
Das Forschungsteam führte außerdem Korrosionsbeständigkeitstests mit natürlichem Meerwasser aus Port Phillip, Melbourne, durch. Die Ergebnisse zeigten, dass die Probe nach zweiwöchigem Einweichen in Meerwasser nur etwa 0,15 % ihrer Masse verlor, während ihre Festigkeit um weniger als 1 % abnahm, was eine hervorragende Anpassungsfähigkeit an die Meeresumwelt zeigt.
Darüber hinaus schwammen die Versuchsproben mehr als zwei Monate lang ununterbrochen in Süßwasser und blieben lange Zeit stabil. Die Forscher glauben, dass dies beweist, dass die Struktur nicht nur theoretisch schwimmfähig ist, sondern auch Potenzial für praktische technische Anwendungen hat.
Das Forschungsteam gab an, dass dies das erste Mal auf der Welt sei, dass ein Metall-Mischgitter-Metamaterial geschaffen wurde, das über einen langen Zeitraum schweben kann. Es wird erwartet, dass diese Technologie in Zukunft auf Offshore-Bojen, Meeresüberwachungsgeräte, Offshore-Energieanlagen und verschiedene Arten von Infrastrukturen angewendet wird, die seit langem in der Meeresumwelt eingesetzt werden.
Im Zuge der Weiterentwicklung der 3D-Drucktechnologie und der fortschrittlichen Materialtechnik wird erwartet, dass dieser neue Typ von „schwimmendem Titan“, der hohe Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und anhaltenden Auftrieb vereint, neue Möglichkeiten für das zukünftige Design der Meerestechnik eröffnen wird.
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