Креветки помогают создать более крепкие композиты

Команды из университетов Калифорнии (Риверсайд, США), Южной Калифорнии и города Пердью, разработали новую композитную структуру, которая является более ударопрочной и жесткой, чем стандартно используемые при строительстве самолетов. Исследования базируются на изучении удивительных качеств хитинового покрова Павлиньей креветки-богомола или рака-богомола (лат. Stomatopoda). Исследователи во главе с Дэвидом Кисайлусом, адъюнкт-профессором факультета химического машиностроения заинтересовались тем, как клешня этой креветки выдерживает удар о добычу или препятствие, сила которого в 1000 превосходит массу самой клешни. Это ракообразное размерами 4 - 6-дюймов, которой способно ускоряться под водой быстрее, чем пуля 22-го калибра, а его удары настолько мощны, что этого рачка нужно держать в специальном аквариуме, чтобы он не разбил стекло. В предыдущей работе исследователей, опубликованной в журнале Science в 2012 году, указывается, что некоторые отделы хитинового покрова характеризуются спиралевидным расположением минерализованных слоев, которые действуют как амортизатор. Каждый слой повернут на небольшой угол относительно, в итоге создается полная спираль с поворотом на 180 градусов. Для экспериментов исследователи создали нескольких композитных материалов из углеродного волокна с эпоксидными компонентами, чьи слои пересекались под разными геликоидальными углами, от 10 до 25 градусов. Для сравнения было использовано также несколько обычных композитных структур, созданных, в том числе, квазиизотропным способом, применяемым в аэрокосмической отрасли. Целью было сравнить прочность на удар и поглощение энергии геликоидальных структур. Была использована система тестирования, при которой оценивалось воздействие падения сферического наконечника, при ударе создающего 100 джоулей энергии. Опыт повторяет тестирование, применяемое в авиационной промышленности. Повреждения оценивались с помощью УЗИ. В результате, слои однонаправленных образцов разделились и полностью провалилась. Квазиизотропные образцы были проколоты и получили значительный ущерб волокна. Хотя геликоидальный образец показал некоторое расщепление волокон, он не был пробит насквозь. Повреждения геликоидальных образцов были на 20-50% меньше, чем квазиизотропных. УЗИ показало, что в геликоидальных образцах повреждения распространялись в разные стороны вдоль волокон, в то время как в квазиизотопных происходил их полный разрыв. Затем исследователи испытывали их на сжатие до полной поломки. Результаты показали, что остаточная прочность геликоидальные образцов на 15-20% больше, чем у обычных. Руководитель исследовательской группы Дэвид Кисайлус недавно получил грант от МО США на $7,5 млн. Исследователи намерены продолжить работу по созданию новых материалов, а так же по поиску других природных структур и материалов, на основе которых можно создать лучшие композиты.