Исследователи разработали гибридный материал на основе пены для экстремальной защиты при падениях
Исследователи из Техасского университета A&M и Исследовательской лаборатории армии США DEVCOM разработали инновационный гибридный материал, получивший название «суперпена», который способен поглощать до десяти раз больше энергии, чем традиционные прокладки и амортизаторы. Новая технология заключается в интеграции обычной пены с напечатанными на 3D-принтере пластиковыми колоннами, которые образуют внутри неё своеобразный гибкий скелет. Эти элементы, называемые распорками, армируют пену, значительно улучшая её способность выдерживать давление и ударные нагрузки. Такой подход превращает недорогой и распространённый материал в настраиваемый композит, способный выдерживать экстремальные нагрузки, оставаясь при этом лёгким. По словам разработчиков, система может найти применение в производстве защитной экипировки, системах безопасности автомобилей и даже в повседневных предметах, таких как подушки.
Работой руководил доктор Мохаммад Нараги, директор лаборатории наноструктурированных материалов инженерного колледжа Техасского университета A&M, совместно с доктором Эриком Ветцелем из армейской исследовательской лаборатории. Традиционная пена широко используется в амортизирующих материалах благодаря своей структуре: крошечные воздушные карманы сжимаются под давлением, рассеивая энергию. Однако хаотичная внутренняя структура обычной пены ограничивает эффективность этого процесса. Решётчатые материалы, созданные по индивидуальному проекту, обеспечивают лучший контроль, но их производство сложно и дорого масштабировать. Чтобы преодолеть это противоречие, команда разработала метод, названный аддитивным производством в пене. Этот процесс позволяет с помощью компьютерного управления строить сеть эластичных пластиковых распорок прямо внутри пены с открытыми порами. Изменяя диаметр, расстояние между элементами и их наклон, исследователи могут точно настраивать механические свойства материала.
Уникальность разработки заключается в синергии двух компонентов. На начальном этапе сжатия пена стабилизирует распорки, предотвращая их преждевременное разрушение. По мере роста давления распорки распределяют нагрузку в окружающую пену, что позволяет материалу поглощать гораздо больше энергии. «Это магия синергии, симбиотический композит между пеной и распорками», — пояснил доктор Нараги. Проект поддерживается армией США, которая заинтересована в создании улучшенных материалов для защиты военнослужащих. Такая гибридная пена может значительно повысить защитные свойства военных касок, которые должны не только останавливать пули, но и смягчать удары при падениях. «Мы не просто добавляем слои к военным каскам, мы создаём композитный щит, который более устойчив, чем современные прокладки, но при этом достаточно лёгок, чтобы носить его весь день, не испытывая усталости», — добавил исследователь.
Благодаря малому весу материал способен повысить уровень защиты без ущерба для мобильности солдат. Помимо военных нужд, эту технологию планируют адаптировать для гражданских шлемов велосипедистов и спортсменов. Ведутся разработки по применению материала в автомобильной промышленности: его можно размещать в элементах интерьера или бамперах для поглощения энергии столкновений. В перспективе суперпена может появиться и в товарах народного потребления, например, в матрасах и сиденьях, где изменение конфигурации распорок позволит создавать зоны с разной степенью жёсткости. Также учёные изучают способность новой внутренней структуры поглощать звук и вибрации, что может пригодиться для улучшения шумоизоляции в транспортных средствах и зданиях.
Результаты исследования были в научном журнале Composite Structures.