Ученые Института математики и механики им. Н.И. Лобачевского Казанского федерального университета совершили значительный шаг вперед в исследовании пористых материалов. Впервые в мире они использовали 4D-рентгеновскую компьютерную томографию для анализа образцов, созданных методом послойного наплавления (FDM). Этот инновационный подход позволяет с беспрецедентной точностью изучать, как ведут себя поры внутри материала при механических нагрузках. Результаты исследования открывают новые перспективы для разработки медицинских имплантов, авиационных компонентов и других высокотехнологичных изделий.
Аддитивные технологии, включая 3D-печать, уже прочно вошли в современное производство. Однако до сих пор оставался открытым вопрос о том, как именно внутренние дефекты и поры влияют на прочность и долговечность изделий. Казанские ученые смогли решить эту проблему, разработав уникальную систему нагружения образцов, совмещенную с 4D-томографией. Это позволило им в режиме реального времени наблюдать за изменением структуры материала под давлением.
Одним из ключевых авторов проекта стал Оскар Саченков, заведующий кафедрой компьютерной математики и информатики ИМиМ КФУ. По его словам, новая система продемонстрировала выдающуюся точность в анализе динамики пористых структур. Эксперименты показали, что при упругих деформациях в первую очередь изменяется объем пор, тогда как при пластических — их форма и ориентация. Особенно интересным оказалось поведение межслойных пор: при малых деформациях они вносят основной вклад в потерю жесткости материала, но по мере увеличения нагрузки начинают «закрываться», переставая влиять на дальнейшие изменения структуры.
Полученные данные позволили ученым вывести аналитические зависимости, с помощью которых теперь можно прогнозировать, как пористость влияет на механические свойства материала. Это особенно важно для инженеров, работающих с аддитивными технологиями, поскольку дает возможность заранее рассчитывать жесткость и предел текучести изделий, учитывая распределение пор.
Ксения Спиридонова, младший научный сотрудник лаборатории, подчеркнула, что 3D-печать позволяет создавать материалы с заданной внутренней структурой, что невозможно при традиционных методах производства. Это исследование имеет огромное практическое значение. В медицине оно может ускорить разработку биосовместимых имплантов с оптимальной пористостью, способствующих лучшей интеграции с костной тканью. В промышленности — помочь создавать легкие, но прочные детали для авиации и автомобилестроения. Кроме того, технология может найти применение в энергетике, где требуются материалы с особыми свойствами.
Ранее физики Казанского федерального университета совершили прорыв в изучении процессов разрушения металлических сплавов. Исследователи разработали метод, позволяющий контролировать образование наноразмерных трещин в аморфных материалах.