Mit Watte vermischte Eiswürfel lassen sich auch mit einem Hammer nicht zerschlagen? Ist das wahr?

Der Winter kommt und während die Temperaturen allmählich sinken, rückt der Tag näher, an dem sich überall Eis bildet.

Apropos Eis: Ich glaube, viele meiner Freunde haben schon einmal die wunderschöne, gerade gefrorene Eisfläche betrachtet. Plötzlich verspürte ich den Drang, es zu zerschlagen.

Das passiert, wenn man die Dicke des Eises falsch einschätzt (GIF von SOOGIF)

Es gibt jedoch eine Art Eis, die „nicht gebrochen werden kann, egal wie hart man darauf schlägt“. Die Legende darüber kursiert seit vielen Jahren im Internet. Sogar die britische Marine hatte im Zweiten Weltkrieg die Idee, ähnliche Materialien zu verwenden.

Ja, es ist dieser weiße Eiswürfel.

Hinter diesem Werkstoff steckt das in der Werkstoffwissenschaft weit verbreitete Wissen der Strukturverstärkungstechnik.

Heute möchten wir Ihnen einige Geschichten und Wissenswertes zu diesem „verfälschten Eis“ erzählen!

Stimmt es, dass mit Baumwolle vermischtes Eis nicht zerbrochen werden kann?

Im Internet kursiert eine Geschichte: Obwohl gewöhnliches Eis hart ist, kann es mit genügend Kraft immer zerbrochen werden. Wenn dem Wasser jedoch vor dem Gefrieren Baumwolle hinzugefügt wird , wird das Eis zu Stahlbeton und kann unter keinen Umständen zerbrochen werden.

Ist das also wirklich der Fall? Lassen Sie uns heute aus wissenschaftlicher Sicht analysieren, was hier passiert!

Zunächst nehmen wir als Forschungsobjekt gewöhnliches Wassereis, das im täglichen Leben häufig vorkommt. Eis ist ein hartes Material, das bei ausreichend niedrigen Temperaturen eine gewisse strukturelle Festigkeit besitzt. Nach Angaben der China Meteorological Administration beträgt die Zugfestigkeit von Eis etwa 1,2 bis 1,5 MPa und die Druckfestigkeit liegt zwischen 3,5 und 4,5 MPa . Es ist ersichtlich, dass es sich hierbei um ein sprödes Material mit stärkerer Druckfestigkeit als Zugfestigkeit handelt.

Im Vergleich zu Glas, das wir häufig verwenden, ist die Eigenschaft spröder Materialien, dass sie relativ hart sind , aber bei Einwirkung äußerer Spannungen leicht zu einer lokalen Verformung führen können, die ihre Zugfestigkeit übersteigt, und sie dadurch zerstört werden.

Es gibt eine gewisse Flexibilität, aber nicht viel (GIF von SOOGIF)

Lassen Sie uns nun zurückblicken. Baumwolle ist als gängiges Material grundsätzlich nicht druckfest, weist jedoch eine recht hohe Zugfestigkeit auf. Ein Watteknäuel kann zu einem sehr langen Baumwollfaden zusammengezogen werden, ohne dass dieser reißt. Können sich in diesem Fall die Eigenschaften von Baumwolle und Eis ergänzen ?

Die Zugabe von Baumwolle zu Eis ist in der Materialwissenschaft eine Art faserverstärktes Verbundmaterial . Wenn Eis mit Baumwolle einer äußeren Kraft ausgesetzt wird, kann die Netzstruktur aus Baumwolle die Spannung effektiv entlang der Fasern übertragen , wodurch die Amplitude der lokalen Verformung verringert und ein Brechen des Eises verhindert wird.

Wenn im Eis Risse auftreten, können Baumwollfasern außerdem als Skelett fungieren und so die Ausbreitung der Risse verhindern . Dadurch wird die Widerstandsfähigkeit des getarnten Eises erhöht. Im Gegenteil: Wenn Eiswürfel ohne Watte mit der gleichen Kraft geschlagen werden, besteht aufgrund der fehlenden Unterstützung durch diese Netzstruktur eine größere Wahrscheinlichkeit, dass sie reißen und zerbrechen.

Da die meisten Internetnutzer beim Testen jedoch kein eindeutiges Verhältnis von Eis zu Baumwolle angegeben haben, ist es für uns schwierig, hier über die Stärke dieses Materials zu sprechen. Glücklicherweise gab es in der Geschichte einen verrückten Plan, bei dem sehr ähnliche Materialien verwendet wurden, aus dem wir auch ungefähr verstehen können, wie sehr das Faserskelett die Leistung des Materials verbessern kann.

Churchill hat es auch getan!

Britischer Eistransporterplan aus dem Zweiten Weltkrieg!

Die Idee, Eis zum Bau von Schiffen zu verwenden, wurde in den 1930er Jahren populär und das kalte Wetter des Nordatlantiks bot realistische Bedingungen für die Existenz von Eisschiffen. Wie bereits erwähnt, ist die allgemeine Zuverlässigkeit von Schiffen aus Eis aufgrund der schlechten Zugfestigkeit von Eis jedoch äußerst gering.

Mit dem Fortschritt der Materialwissenschaften entdeckten die amerikanischen Wissenschaftler Hermann Mark und Walter Hornstein jedoch, dass sich die Zugfestigkeit von Eis deutlich erhöhen lässt, wenn man 14 % Sägemehl mit Wasser vermischt und es einfriert. Bei der richtigen Temperatur kann seine Druckfestigkeit 7,584 MPa und seine Zugfestigkeit 4,826 MPa erreichen.

Pikerites Rohstoffe und ein fertiges Produkt

Dieses Material wurde Pykrete genannt. Seine Dichte unterscheidet sich nicht wesentlich von der von gewöhnlichem Eis, es lässt sich jedoch gut bearbeiten, weist eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit auf, ist kostengünstig und weist eine strukturelle Festigkeit auf, die sogar an die von Beton aus dieser Zeit heranreicht.

Aufgrund der guten Leistung von Pyrit schlugen General Mountbatten und der damalige britische Premierminister Churchill 1942, als Großbritannien vom uneingeschränkten U-Boot-Krieg Nazideutschlands belagert wurde und mit seinem Latein am Ende war, den Plan vor, aus diesem Material ein Kriegsschiff zu bauen. Das Ziel dieses Plans war der Bau eines Super-Eisflugzeugträgers namens Habakuk .

In der Planungsphase hatte die Habakuk eine Gesamtlänge von 610 Metern, in einigen Aufzeichnungen wurde sogar von einer Länge von 1.200 Metern gesprochen. Es hatte ein Gesamtgewicht von 2,2 Millionen Tonnen , war mit 26 Motoren ausgestattet und erreichte eine Höchstgeschwindigkeit von 7 Knoten. Es konnte 200 Jäger und 100 Bomber transportieren. Sogar der moderne Flugzeugträger der Nimitz-Klasse ist weniger als ein Viertel so groß, was ihn zu einem wahren Kriegsgiganten macht.

Der geplante Flugzeugträger ist unglaublich groß

Im Mai 1943 bauten Ingenieure auf dem Patricia Lake in Kanada ein 20 Meter langes Versuchsmodell aus Pyrex. Mit Hilfe verschiedener Isolierungsmaßnahmen hat dieser große, weiße (vielleicht auch nicht ganz so weiße) Eisblock den gesamten Sommer unbeschadet überstanden.

Dies gab Churchill großen Mut. Auf der anglo-amerikanischen Konferenz für gemeinsame Operationen im August 1943 warb General Mountbatten energisch für ihren Plan, Eisträger zu bauen.

Inoffiziellen Aufzeichnungen zufolge platzierte er ein Stück Eis und ein Stück Pikeret gleicher Größe nebeneinander im Konferenzraum und feuerte ohne Vorwarnung auf jedes der beiden Eisstücke einen Schuss ab. Normales Eis wurde wie erwartet zertrümmert, doch Pikerett lenkte die Kugel tatsächlich ab, sodass jeder sehen konnte, wie eine Pistolenkugel in einem Konferenzraum voller hochrangiger Offiziere der Konföderierten umherflog und den anwesenden Admiral Ernest King der US-Marine beinahe verletzte.

Ein zerschossenes Stück Pykret

Glücklicherweise ließen sich die anwesenden kampferprobten Generäle durch diesen Vorfall nicht aus der Ruhe bringen. Die Staats- und Regierungschefs der alliierten Länder waren von der hervorragenden Leistung dieses Materials beeindruckt und so wurde der Bau von Habakuk offiziell auf die Tagesordnung gesetzt.

In einer Reihe nachfolgender Tests stellten die Ingenieure jedoch fest, dass Parkrite nur bei Temperaturen unter minus 15 Grad Celsius seine Festigkeit behält, die Abwärme der 26 Triebwerke des Flugzeugträgers während des Betriebs jedoch ausreichte, um den gesamten Eisblock zu schmelzen. Daher konnte die Temperatur nur durch die Installation von 16 zusätzlichen Eisanlagen im Inneren des Flugzeugträgers gerade so stabil gehalten werden.

Da der gesamte Flugzeugträger aus Eis besteht, ist eine herkömmliche wasserdichte Konstruktion zudem völlig wirkungslos und im Inneren der Kabine besteht bei einem Torpedoangriff eine große Gefahr. Um dieses Problem zu lösen, wurde die Dicke der Schottwand der Habakuk auf erstaunliche 40 Fuß (ca. 12 Meter) erhöht, wodurch sie der Explosion deutscher Torpedos physisch standhalten konnte, ohne beschädigt zu werden. Dadurch wird der ohnehin schon große Flugzeugträger noch größer und die größere Gesamtkonstruktion stellt neue Anforderungen an die Innenstruktur …

Geben Sie mehr Wasser zu den Nudeln, geben Sie mehr Nudeln ins Wasser und wechseln Sie schließlich das Becken

Und so wurden im Zuge der ständigen Zugabe von mehr Mehl und Wasser und mehr Wasser und Mehl andere Technologien so weit entwickelt, dass sie die Probleme lösen konnten, zu deren Lösung Habakuk sie ursprünglich entwickelt hatte. Schließlich wurde das Projekt im Dezember 1943 von den Vereinigten Stabschefs abgelehnt und dieser verrückte Plan fand sein Ende.

Faserverstärkte Verbundwerkstoffe

Obwohl das Flugzeugträgerprojekt „Habakuk“ letztlich nicht realisiert wurde, können wir anhand dieses Projekts intuitiv die erhebliche Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Verbundwerkstoffen durch Fasern erkennen. Allein durch die Zugabe einer angemessenen Menge Sägemehl zum Eis besteht ein gewisses Potenzial für militärische Zwecke. Dieser qualitative Sprung ist erstaunlich.

Tatsächlich finden Verbundwerkstoffe, die durch die Kombination der Stärken verschiedener Materialien hergestellt werden, in unserem Leben breite Anwendung. Verbundwerkstoffe sind mehrphasige Materialien, die durch die Kombination von zwei oder mehreren Materialien (wie Metallen, Keramiken oder Polymeren ) in einem Verbundverfahren hergestellt werden. Die Leistung dieser Materialien ergänzt sich gegenseitig und erzeugt einen Synergieeffekt. Dadurch ist die Gesamtleistung des Verbundmaterials besser als die eines einzelnen Materials und erfüllt somit verschiedene Anforderungen.

Die Geschichte der Verbundwerkstoffe lässt sich bis in die Antike zurückverfolgen. Der seit der Antike verwendete, mit Reisstroh oder Weizenstroh verstärkte Ton und der seit Hunderten von Jahren verwendete Stahlbeton bestehen beide aus einem Verbund zweier Materialien. Fast zeitgleich mit dem Aufkommen von Parkrete wurde glasfaserverstärkter Kunststoff (allgemein bekannt als FRP ) bereits in der Luftfahrtindustrie verwendet.

Das erste Flugzeug mit faserverstärktem Kunststoff, die Fairchild F-46

Unter den Verbundwerkstoffen sind faserverstärkte Werkstoffe am weitesten verbreitet und finden den größten Einsatz. Seine Eigenschaften sind geringes spezifisches Gewicht, große spezifische Festigkeit und hoher spezifischer Modul . Beispielsweise weist der Verbundwerkstoff aus Kohlefaser und Epoxidharz eine um ein Vielfaches höhere spezifische Festigkeit und einen höheren spezifischen Modul auf als Stahl und Aluminiumlegierungen. Darüber hinaus verfügt es über eine ausgezeichnete chemische Stabilität, Reibungsreduzierung und Verschleißfestigkeit, ist selbstschmierend, hitzebeständig, ermüdungsbeständig, kriechfest, geräuschreduzierend und weist elektrische Isoliereigenschaften auf.

Ein weiteres Merkmal faserverstärkten Werkstoffen ist die Anisotropie , sodass die Faseranordnung entsprechend den Festigkeitsanforderungen verschiedener Teile des Teils gestaltet werden kann, was für bestimmte stark kundenspezifische Anforderungen sehr attraktiv ist.

In den Kampfjets der fünften Generation werden viele Verbundwerkstoffe verwendet, um die Flugleistung zu verbessern. Das Bild zeigt die vom Sukhoi Design Bureau hergestellte Su-57 und die von AVIC Chengfei hergestellte J-20.

Derzeit werden faserverstärkte Verbundwerkstoffe in Hightech-Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, der chemischen Industrie und dem Maschinenbau häufig eingesetzt. Sie werden auch als Baumaterial oder Rohstoff für bestimmte Sportgeräte verwendet.

An dieser Stelle fragen sich einige von Ihnen vielleicht: „Da Verbundwerkstoffe so leistungsstark sind, warum haben sie herkömmliche Materialien nicht vollständig ersetzt?“

Tatsächlich hat alles auf der Welt zwei Seiten. Obwohl Verbundwerkstoffe viele erstaunliche Vorteile haben, sind sie nicht perfekt und haben auch einige Nachteile, die nicht ignoriert werden können.

Erstens ist die hohe Leistungsfähigkeit von Verbundwerkstoffen oft mit hohen Kosten verbunden. Die Kosten für Matrixmaterialien wie Hochleistungsfasern, Harze und Keramik sind an sich nicht gering und die Verarbeitung dieser Materialien erfordert spezielle Verfahren und Geräte, was die Kosten für die Verwendung von Verbundwerkstoffen weiter erhöht. Daher stellen die hohen Kosten trotz der hervorragenden Leistung von Verbundwerkstoffen in manchen Bereichen weiterhin eine unüberwindbare Hürde dar.

Zweitens stellt auch die Grenzflächenproblematik von Verbundwerkstoffen eine große Herausforderung dar. Bei Verbundwerkstoffen wirkt sich die Grenzflächenfestigkeit zwischen Faser und Matrix direkt auf die Leistung des Materials aus . Bei längerem Gebrauch können die Schnittstellen bestimmter Materialien jedoch aufgrund von Ermüdungsschäden allmählich versagen, was zu einer Verschlechterung der Gesamtleistung führt. Darüber hinaus erschwert die komplexe Struktur von Verbundwerkstoffen die Leistungsvorhersage, was höhere Anforderungen an Design und Anwendung stellt.

Noch beunruhigender ist, dass das Recycling von Verbundwerkstoffen weiterhin ein schwieriges Problem darstellt. Das Recycling von Verbundwerkstoffen ist aufgrund der engen Bindung der Fasern an die Matrix komplexer als bei herkömmlichen Materialien. Manche Verbundwerkstoffe können bei unsachgemäßem Recycling sogar umweltschädlich sein, beispielsweise solche, die Asbestfasern enthalten. Diese Probleme stellen eine Herausforderung für die nachhaltige Entwicklung von Verbundwerkstoffen dar.

Wir müssen jedoch nicht zu pessimistisch sein. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Technologie werden viele Mängel von Verbundwerkstoffen nach und nach behoben. So ebnen etwa die Entwicklung neuer umweltfreundlicher Harze, effizienterer Recyclingtechnologien und präziserer Modelle zur Leistungsvorhersage den Weg für die Anwendung von Verbundwerkstoffen. Wir haben Grund zu der Annahme, dass Verbundwerkstoffe in Zukunft ausgereifter und umweltfreundlicher sein werden und in mehr Bereichen glänzen werden.

Verweise

[1]https://en.wikipedia.org/wiki/Pykrete

[2] „Das ist ein echtes Schwergewicht!“ Die Habakuk, ein riesiger Flugzeugträger aus Eis! 【Fan sagt】】 https://www.bilibili.com/video/BV1dC411p7xj

[3] Anonym. Der britische „Ice Carrier“-Plan während des Zweiten Weltkriegs[J]. Wissenschaft Grand View Garden, 2012, (05): 40-41

[4] Shi Mu. Die abgebrochene Geschichte des aus Eis gebauten Flugzeugträgers[J]. Big Science (Science Mysteries), 2011, (05): 30-32.

[5] Wu Minghua. „Ice Carrier“ Mountbattens Maritime Delusion[j]. See the World, 2010, (08): 60-61.

[6] Weltkriegs-Fantasie: Detaillierte Erklärung und Entlarvung der Eisträger https://weibo.com/ttarticle/p/show?id=2309404231996204304322

[7]https://baike.baidu.com/item/%E5%A4%8D%E5%90%88%E6%9D%90%E6%96%99

[8]https://en.wikipedia.org/wiki/Fibre-reinforced_plastic

[9]https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon-fiber_reinforced_polymer

Planung und Produktion

Quelle: Institut für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften (ID: cas-iop)

Herausgeber: Wang Mengru

Korrekturgelesen von Xu Lailinlin