3D

Jun 03, 2023

Термиты – палка о двух концах. Обладая огромной плотностью энергии и выделяя огромное количество тепла при воспламенении, термит отлично подходит для сварки железнодорожных путей. Но иногда вам может потребоваться немного больше утонченности. Новый подход к 3D-печати термитов, возможно, сможет приручить зверя.

Большинство из нас занимаются пайкой, сидя в безопасном помещении в комфортном климате. Самая большая опасность, с которой мы, вероятно, столкнемся, — это обжечь кончики пальцев, забыть о термоусадке или случайно выпустить дымового монстра. Но за пределами наших домов и мастерских происходит множество экстремальных соединений металлов. Независимо от того, где это происходит, сварка и пайка в полевых условиях требует большого количества оборудования, часть которого громоздка и еще труднее передвигаться в суровых условиях.

Польза пайки ограничена всеми сложными аппаратными средствами, необходимыми для ее поддержки. Этот ограничивающий фактор и открытие термита привели к экзотермической сварке, при которой используется энергетический материал, обеспечивающий достаточно тепла для плавления присадочного металла и соединения деталей. Энергетические материалы могут хранить много химической энергии и мощно высвобождать ее за короткий период времени.

Термиты состоят из оксида металла и металлического порошка, часто оксида железа и алюминия. При воспламенении от источника высокой температуры термитные соединения подвергаются экзотермической окислительно-восстановительной (окислительно-восстановительной) реакции, поскольку алюминий уменьшает количество электронов в атомах оксида железа. Больше тепла ускоряет реакцию, выделяя больше тепла и так далее. В результате получается расплавленное железо и шлак оксида алюминия.

Одним из первых применений термита было соединение железнодорожных путей, и для этой цели он используется до сих пор. Вот отличное видео о процессе термитной сварки в действии.

Термит опасен, поскольку выделяет чрезвычайно высокую температуру, но у него есть много преимуществ. Во-первых, он хорошо соединяет разнородные металлы. Хотя обжимные соединения достаточно надежны, термитные соединения прочнее и выдерживают более высокие напряжения. Его легко использовать для изготовления соединений внахлест — достаточно сделать из заготовок бутерброд, положить сверху термит и поджечь магниевой лентой или всем знакомой пиротехникой — бенгальским огнем.

Термит предсказуемо масштабируем, поскольку получаемая тепловая мощность напрямую связана с массой термита. Традиционно термитную реакцию регулируют путем изменения химического состава — немного больше ржавчины, немного меньше алюминиевого порошка, пока не получится то, что вы хотите. Это все хорошо, хотя и немного опасно в обычных условиях, например, при прокладке железнодорожных путей. В суровых условиях, таких как космос, океан или поле битвы, опасность использования высокой температуры гораздо более выражена.

Недавно аспирант-механик из Университета Вандербильта создал термитную пасту для 4D-печати, которая может сделать экзотермическую сварку намного безопаснее, особенно в суровых условиях.

Эта паста изготавливается из оксида железа, алюминиевого порошка и гипсового порошка. Гипсовый порошок связывает порошки в пасту для печати при смешивании с водой. Несмотря на то, что в воду была добавлена ​​винная кислота, у них было всего 45 минут, чтобы пропустить ее через принтер — экструдер пасты Discov3ry 1.0, подключенный к Ultimaker 2+. В своих экспериментах команде удалось использовать пасту для плавления алюминия и создания простого медного соединения внахлест.

Напечатав пасту в виде точных зигзагов и других геометрических фигур, которые они называют архитектурой реактивных материалов (RMA), команда смогла продемонстрировать больший контроль над термитной реакцией. При таком распределении термит ведет себя как программируемый источник тепла, который горит скорее как предохранитель и по своей сути безопаснее хранить, транспортировать и использовать.

Формы этих RMA были выбраны для изучения того, как каждый из них повлияет на термитную реакцию. Первым был упрощенный зигзаг, вытянутая буква S с острыми прямыми углами, предназначенная для измерения скорости распространения при воспламенении одного конца.