Przygotowany przez specjalistów nanolaminat na bazie kobaltu i aluminium osiągnął granicę plastyczności przekraczającą 6 GPa. Jest więc około sześć do dziesięciu razy mocniejszy od wysokowytrzymałej stali konstrukcyjnej. Jednocześnie wytrzymał ponad 15 procent trwałego odkształcenia podczas ściskania w temperaturze pokojowej.
CoAl był mocny, ale zbyt kruchy…
Materiał bazuje na CoAl, czyli związku międzymetalicznym kobaltu i aluminium. W takich materiałach atomy nie są wymieszane przypadkowo, lecz tworzą uporządkowaną strukturę krystaliczną. Zapewnia ona wysoką wytrzymałość, odporność termiczną i ogranicza pełzanie, czyli powolne odkształcanie się materiału pracującego przez długi czas pod obciążeniem. Właśnie dlatego związki międzymetaliczne są brane pod uwagę przy projektowaniu turbin, silników lotniczych i podzespołów energetycznych.
Czytaj też: Stuletnie przekonanie trafiło do kosza. Najtwardszy materiał świata skrywa sekret
Ten sam porządek atomów powoduje jednak problemy. Materiał ma niewiele sposobów na bezpieczne odkształcenie. Zamiast stopniowo zmieniać kształt, potrafi nagle pęknąć. CoAl był więc mocny, ale zbyt kruchy, aby bez większych ograniczeń wykorzystywać go w skomplikowanych elementach konstrukcyjnych.
… dlatego do akcji wkroczyły niedoskonałości
Zespół inżynierów nie próbował stworzyć idealnego kryształu. Naukowcy celowo wprowadzili do CoAl dużą liczbę dyslokacji, czyli lokalnych zaburzeń w ułożeniu atomów. Tego typu dyslokacje pozwalają warstwom materiału przesuwać się względem siebie. Dzięki temu metal może się odkształcić, zamiast od razu pęknąć. Typowy CoAl nie ma wystarczającej liczby ruchliwych dyslokacji w temperaturze pokojowej, więc badacze dodali je już podczas produkcji.
Drugim elementem była sieć amorficznych granic. Atomy w tych cienkich warstwach nie tworzą regularnej struktury krystalicznej. Podczas ściskania fragmenty granic częściowo się krystalizują i generują kolejne dyslokacje, które przedostają się do sąsiednich warstw CoAl. W efekcie materiał nie tylko może się odkształcać, ale podczas tego procesu dodatkowo się umacnia. Początkowa granica plastyczności wyniosła ponad 6 GPa, a wraz z dalszym ściskaniem naprężenie wzrosło do około 8,5 GPa.
Czytaj też: Ten materiał kwantowy filtruje światło jak żaden inny. Fizycy wreszcie dostosowali go do ludzkich temperatur
Sam wynik 6 GPa nie oznacza jeszcze, że CoAl jest materiałem lepszym od np. stali w każdym zastosowaniu. Znacznie ciekawsze jest to, że próbki wytrzymały ponad 15 procent odkształcenia plastycznego przy ściskaniu. Nie rozpadły się nagle jak typowy kruchy związek międzymetaliczny. Zmieniały kształt stosunkowo równomiernie, a ich wewnętrzna struktura nadal wytwarzała nowe mechanizmy deformacji.
Trzeba jednak pamiętać, że badano mikroskopijne filary poddawane ściskaniu. Nie były to pełnowymiarowe części turbin ani testy rozciągania, udarności czy wieloletniej odporności zmęczeniowej. Na razie wiadomo więc, że nanostrukturalny CoAl osiąga wyjątkową kombinację wytrzymałości i plastyczności w konkretnych warunkach laboratoryjnych.
Ten materiał powstał z pary, a do turbiny ciągle daleko
Kluczowe znaczenie miał sposób produkcji. Naukowcy wykorzystali rozpylanie magnetronowe, podczas którego atomy są wybijane z materiału źródłowego i osadzane warstwa po warstwie na przygotowanej powierzchni. CoAl nie został więc odlany z ciekłego metalu. Powstał bezpośrednio z pary stopu, co pozwoliło uwięzić w nim dużą liczbę dyslokacji oraz stworzyć amorficzne granice aluminium i kobaltu. Tradycyjne odlewanie najpewniej nie zapewniłoby takiej mikrostruktury. Coraz częściej właśnie sposób ułożenia atomów okazuje się ważniejszy od samego składu chemicznego. Podobny kierunek opisywałem przecież przy odpornym na wysoką temperaturę stopie aluminium z żelazem, którego właściwości zależały od ekstremalnie szybkiego krzepnięcia podczas druku 3D.
Naukowcy wskazują silniki lotnicze i turbiny jako potencjalne zastosowania. Mocniejsze elementy mogłyby obracać się szybciej i znosić większe siły odśrodkowe, co zwiększyłoby możliwości układów napędowych. Nie oznacza to jednak, że CoAl trafi zaraz do silników odrzutowych. Rzeczywiste części muszą wytrzymywać wysoką temperaturę, drgania, utlenianie, zmienne obciążenia i tysiące cykli pracy. Nadal nie wiadomo również, czy amorficzne granice zachowają swoje właściwości podczas długiej pracy w wysokiej temperaturze.
Czytaj też: Termika wchodzi w erę logiki. Materiał zaczął kierować ciepłem
Największym problemem pozostaje skala. Obecny materiał jest nanoskalowym układem cienkich warstw. Następnym krokiem ma być przeniesienie tej koncepcji do większych kompozytów CoAl, które można byłoby produkować przemysłowo. Badacze chcą też sprawdzić, czy podobna sieć amorficznych granic poprawi plastyczność innych związków międzymetalicznych. Jeśli metoda okaże się uniwersalna, może zmienić sposób projektowania całej grupy bardzo mocnych, ale dotychczas zbyt kruchych materiałów.
Przyszłość materiałoznawstwa nie polega więc wyłącznie na szukaniu nowych stopów. Coraz częściej chodzi o świadome sterowanie wadami, granicami i zaburzeniami struktury. W tym przypadku niedoskonałości nie osłabiły materiału. Dały mu sposób na przetrwanie obciążenia.
Źródła: Science Advances, Purdue University
