要約:
チタンは、高強度、軽量、優れた耐食性により、古くから航空宇宙、海洋工学などの分野で広く使用されてきました。しかし、チタンは水の 4 倍以上の密度があるため、人々はこの金属を「浮く」というイメージを持ったことはありません。今回、オーストラリアのロイヤルメルボルン工科大学（RMIT大学）の研究チームは、高い強度を維持しながら水に浮き、長期の浮力を実現できるチタン構造の作成に成功した。
研究チームが開発したのは、「浮力金属ポリマー開放格子メタマテリアル」と呼ばれる新しい構造です。チタン自体の密度は約 4.43 グラム/立方センチメートルで、淡水の密度（約 1 グラム/立方センチメートル）よりもはるかに高いですが、研究者らは特別な構造設計によってこの特性を変更しました。
浮遊効果を実現するために、研究者は 3D プリンティング技術を使用して Ti-6Al-4V チタン合金の格子骨格を構築し、格子を構成するすべての支持梁を中空構造に設計しました。次に、これらの中空チャネルの内部を軽量のポリウレタンフォームで満たしました。結果として得られる複合構造は、チタン金属の機械的特性を保持するだけでなく、安定した浮力も実現します。
実験中、研究者らは、たとえ材料に亀裂が入ったり、接続部分が破損したり、あるいは格子層の一部が全体的に損傷したとしても、依然として浮遊したままであり、水中に沈まないことを発見した。
高強度と浮力を両立した材料が追求されるのは、海洋工学分野での実用ニーズが多いからです。ブイ、海洋監視センサー、海洋プラットフォーム、およびさまざまな海洋インフラは、継続的な波の衝撃に耐えるだけでなく、海水の腐食にも耐え、損傷にもかかわらず機能を維持し続ける必要があります。
現在広く使用されているステンレス鋼と高密度プラスチックは、一部のニーズを満たすことができますが、強度、耐久性、長期信頼性の点で依然として限界があります。チタン合金自体は耐食性、耐疲労性に優れており、古くから理想的な素材とされてきました。ただし、自然な密度の高さにより、浮遊施設での用途が制限されます。
研究者らによると、過去の人類は主に浮遊問題を解決するために 2 つの方法に頼っていました。 1つは船の中空構造を利用して大量の空気を包み込む方法、もう1つは装置の内部に発泡体などの低密度材料を入れて浮力を持たせる方法です。近年の金属格子構造の台頭は、この問題に対する新しいアイデアを提供します。
3D プリント技術により、少量の金属のみを使用して巨大なメッシュ構造を構築できるため、非常に高い強度対重量比が達成されます。一部の金属格子の全体の密度は水の 10 分の 1 未満です。しかし、そのような構造物は、その開いた細孔がすぐに海水で満たされ、最終的には沈んでしまうため、海洋環境での使用には長い間実用的ではありませんでした。
研究チームの画期的な進歩により、この問題は解決されました。格子全体を囲むのではなく、中空のチタン支持ビームの内側をフォームで満たしただけです。これにより、海水が格子構造を自由に通過できるだけでなく、全体の浮力が長時間にわたって確実に存在するようになります。
このような構造物の浮遊能力をより正確に評価するために、研究者らは新しい計算基準である「スケルトン密度」も提案しました。
従来の密度計算では、格子内のすべてのオープンスペースが体積範囲に含まれますが、これらのスペースは実際には水で占められており、浮力には寄与しません。新しいスケルトン密度コンセプトは、チタン合金の壁やフォームで満たされた領域など、本当に水をはじくことができる部分のみを計算します。
この理論によれば、骨格の密度が周囲の液体の密度より低い限り、たとえ多数の外部開口部が水を通過させたとしても、構造全体は安定して浮くことができます。
パフォーマンス テストの結果も興味深いものです。全体の密度が同じであれば、この新しい浮力チタン構造の強度は、現在海洋工学で広く使用されているステンレス鋼や高密度ポリエチレンの強度よりも約 70% 高くなります。
研究チームは、メルボルンのポートフィリップの天然海水を使用して耐食性テストも実施しました。その結果、サンプルを海水に2週間浸漬した後でも、質量の減少は約0.15％にとどまり、強度の低下は1％未満であることがわかり、海洋環境への優れた適応性が実証されました。
さらに、実験サンプルは 2 か月以上連続して淡水に浮かび、長期間安定したままでした。研究者らは、この構造が理論上の浮遊能力を備えているだけでなく、実際の工学応用の可能性があることを証明していると考えている。
研究チームは、長時間浮遊可能な金属混合格子メタマテリアルを実現したのは世界初だと発表した。今後、この技術は、海洋ブイや海洋監視装置、海洋エネルギー施設など、海洋環境に長期にわたって展開される各種インフラへの応用が期待されます。
3D プリンティング技術と高度な材料工学が発展し続ける中、高強度、耐食性、持続的な浮力を兼ね備えたこの新しいタイプの「浮遊チタン」は、将来の海洋工学設計に新たな可能性を開くことが期待されています。
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