Ερευνητές δημιούργησαν ένα υλικό δέκα φορές πιο ισχυρό από το ατσάλι

Ένα νέο νανοσύνθετο υλικό από κοβάλτιο και αλουμίνιο ανέτρεψε τη συνηθισμένη σχέση μεταξύ αντοχής και ευκαμψίας επιτυγχάνοντας έως και 10 φορές μεγαλύτερη αντοχή από τον δομικό χάλυβα χωρίς να γίνεται επικίνδυνα εύθραυστο.

Οι κινητήρες αεροσκαφών απαιτούν υλικά που μπορούν να αντέχουν σε ακραίες θερμοκρασίες και τεράστιες μηχανικές καταπονήσεις, χωρίς να λυγίζουν, να ρηγματώνονται ή να παραμορφώνονται σταδιακά με την πάροδο του χρόνου. Ωστόσο τα ισχυρότερα υλικά έχουν συνήθως ένα σοβαρό μειονέκτημα: είναι τόσο εύθραυστα που δεν μπορούν να παραμορφωθούν με ασφάλεια.

Μηχανικοί του αμερικανικού Πανεπιστημίου Purdue βρήκαν έναν τρόπο να ξεπεράσουν αυτό το πρόβλημα στο διαμεταλλικό κράμα κοβαλτίου-αλουμινίου, ένα υλικό με μεγάλες προοπτικές για χρήση σε προηγμένους αεριοστρόβιλους. Ανασχεδιάζοντας τη δομή του σε νανοκλίμακα, δημιούργησαν μια μορφή κοβαλτίου-αλουμινίου που συνδυάζει εξαιρετικά υψηλή αντοχή με σημαντική πλαστική παραμόρφωση σε θερμοκρασία δωματίου.

Η μελέτη που δημοσιεύθηκε στην επιθεώρηση «Science Advances» ανοίγει τον δρόμο για μια νέα στρατηγική αξιοποίησης διαμεταλλικών ενώσεων οι οποίες μέχρι σήμερα θεωρούνταν υπερβολικά εύθραυστες για απαιτητικές εφαρμογές στην αεροδιαστημική, την ενέργεια και την άμυνα.

Γιατί οι διαμεταλλικές ενώσεις σπάνε εύκολα

Οι διαμεταλλικές ενώσεις αποτελούνται από δύο ή περισσότερα μεταλλικά στοιχεία, τα οποία είναι οργανωμένα σε μια εξαιρετικά τακτική κρυσταλλική δομή. Αυτή η διάταξη τους προσδίδει πολύ μεγάλη μηχανική αντοχή, υψηλό σημείο τήξης και εξαιρετική αντίσταση στον ερπυσμό, δηλαδή στη σταδιακή παραμόρφωση που προκαλείται από συνεχή μηχανική φόρτιση.

Οι ιδιότητες αυτές είναι ιδιαίτερα χρήσιμες σε κινητήρες αεροσκαφών, αεριοστρόβιλους, συστήματα αποθήκευσης ενέργειας και εξαρτήματα αυτοκινήτων. Ωστόσο η ίδια αυτή οργανωμένη δομή δυσκολεύει την παραμόρφωση του υλικού. Αντί να λυγίζει όταν δέχεται φορτίο το υλικό συχνά σπάει ιδιαίτερα σε θερμοκρασία δωματίου.

Το κράμα κοβαλτίου-αλουμινίου αποτελεί χαρακτηριστικό παράδειγμα. Είναι αρκετά ισχυρό ώστε να θεωρείται κατάλληλο για πτερύγια στροβίλων επόμενης γενιάς, όμως η μεγάλη του ευθραυστότητα δυσκολεύει την κατασκευή σύνθετων εξαρτημάτων και περιορίζει την αντοχή του σε απότομες μηχανικές καταπονήσεις.

«Τα μαζικά διαμεταλλικά κράματα κοβαλτίου-αλουμινίου διαθέτουν πολύ υψηλή αντοχή. Θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν στα πτερύγια των κινητήρων αεροσκαφών επόμενης γενιάς. Εάν καταφέρουμε να αποκτήσουμε κράματα CoAl που είναι ταυτόχρονα ισχυρά και πλαστικά, οι κινητήρες θα μπορούν να περιστρέφονται ταχύτερα και να αντέχουν μεγαλύτερες φυγόκεντρες δυνάμεις, βελτιώνοντας σημαντικά την απόδοσή τους» δήλωσε Ξινγκχανγκ Ζανγκ καθηγητής Μηχανικής Υλικών του Purdue.

Η αξιοποίηση των ατελειών του κρυστάλλου

Οι ερευνητές προσέγγισαν το πρόβλημα εισάγοντας εσκεμμένα ατέλειες στην κρυσταλλική δομή. Σε έναν ιδανικό κρύσταλλο, τα άτομα είναι διατεταγμένα με απόλυτα επαναλαμβανόμενο τρόπο. Οι λεγόμενες «διαταραχές» αποτελούν μικροσκοπικές ασυνέχειες σε αυτή τη διάταξη. Αν και γενικά θεωρούνται ατέλειες, επιτρέπουν στα μεταλλικά υλικά να παραμορφώνονται χωρίς να σπάνε, καθώς διευκολύνουν τη μετακίνηση των ατομικών στρωμάτων.

Το κράμα κοβαλτίου-αλουμινίου όμως διαθέτει πολύ λίγες κινητές διαταραχές γεγονός που περιορίζει σημαντικά την πλαστικότητά του. Προηγούμενες προσπάθειες βελτίωσης της συμπεριφοράς του, είτε μέσω αλλαγής της χημικής του σύστασης είτε μέσω συνδυασμού με άλλα υλικά, είχαν περιορισμένη επιτυχία.

Εύκαμπτες διεπιφάνειες που αυξάνουν την πλαστικότητα Η ομάδα του Purdue ενσωμάτωσε δυσλοκασίες στο κράμα κοβαλτίου-αλουμινίου ήδη κατά τη διαδικασία σχηματισμού του υλικού. Παράλληλα, δημιούργησε ένα δίκτυο άμορφων διεπιφανειών, λεπτών περιοχών όπου τα άτομα δεν ακολουθούν την κανονική κρυσταλλική διάταξη.

«Αποδείξαμε ότι το κράμα κοβαλτίου-αλουμινίου μπορεί να παρουσιάσει σημαντική πλαστικότητα σε θερμοκρασία δωματίου, προσφέροντας μια νέα προσέγγιση για τη βελτίωση των μηχανικών του ιδιοτήτων» δήλωσε ο Κε Χου πρώτος συγγραφέας της μελέτης.

Οι άμορφες αυτές διεπιφάνειες λειτουργούν ενεργά κατά την παραμόρφωση του υλικού. Τμήματά τους αποκτούν προσωρινά κρυσταλλική δομή, δημιουργώντας νέες διαταραχές που επιτρέπουν στα γειτονικά στρώματα του κράματος κοβαλτίου-αλουμινίου να απορροφούν τις μηχανικές καταπονήσεις αντί να θραύονται.

«Εισαγάγαμε απευθείας διαταραχές στο κράμα κοβαλτίου-αλουμινίου κατά τη διαδικασία εναπόθεσης με μαγνητρονικό ψέκασμα. Το σημαντικότερο όμως ήταν ότι σχεδιάσαμε ένα πλαίσιο άμορφων διεπιφανειών, οι οποίες λειτουργούν ως εύκαμπτα εσωτερικά όρια και δημιουργούν νέες δυσλοκασίες κατά την παραμόρφωση» εξήγησε ο Ζάνγκ.

Έως και δέκα φορές ισχυρότερο από τον δομικό χάλυβα

Το νέο νανοστρωματικό υλικό παρουσίασε όριο διαρροής 6 γιγαπασκάλ (GPa) δηλαδή περίπου έξι έως δέκα φορές υψηλότερο από αυτό του χάλυβα υψηλής αντοχής.

Το όριο διαρροής εκφράζει τη μέγιστη τάση που μπορεί να αντέξει ένα υλικό πριν αρχίσει να παραμορφώνεται μόνιμα. Παρά την εξαιρετικά υψηλή αντοχή του το νέο κράμα κατάφερε να αντέξει πλαστική παραμόρφωση περίπου 15% υπό θλιπτική φόρτιση σε θερμοκρασία δωματίου, χωρίς να υποστεί άμεση θραύση.

«Ο συνδυασμός υπερυψηλής μηχανικής αντοχής και εξαιρετικής πλαστικότητας καθιστά αυτό το νανοστρωματικό σύστημα CoAl ένα από τα καλύτερα διαμεταλλικά υλικά που έχουν παρουσιαστεί μέχρι σήμερα» ανέφερε ο Ξου.

Κατασκευή από ατμούς μετάλλου

Το υλικό κατασκευάστηκε με τη μέθοδο της εναπόθεσης μέσω μαγνητρονικού ψεκασμού. Σε αυτή τη διαδικασία άτομα αποσπώνται από ένα μεταλλικό στόχο και εναποτίθενται πάνω σε υπόστρωμα σχηματίζοντας λεπτές επιστρώσεις. Σε αντίθεση με τη συμβατική χύτευση λιωμένου μετάλλου, η τεχνική αυτή επιτρέπει τον σχηματισμό του υλικού απευθείας από ατμούς, παγιδεύοντας μεγάλο αριθμό διαταραχών και δημιουργώντας ταυτόχρονα τις άμορφες διεπιφάνειες.

«Αυτή η μέθοδος μάς επιτρέπει να δημιουργούμε υλικά από μεταλλικούς ατμούς απευθείας σε στερεή μορφή, εισάγοντας μεγάλο αριθμό δυσλοκασιών που δεν μπορούν να επιτευχθούν με τις παραδοσιακές μεθόδους χύτευσης» λέει ο Ζανγκ.

Παρακολούθηση της παραμόρφωσης σε ατομικό επίπεδο

Οι ερευνητές συμπίεσαν το υλικό ενώ το παρατηρούσαν σε πραγματικό χρόνο μέσα σε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης. Με αυτόν τον τρόπο κατέγραψαν λεπτομερώς τις μεταβολές της μικροδομής κατά την παραμόρφωση. Παράλληλα, επιστήμονες του Πανεπιστημίου του Χιούστον πραγματοποίησαν προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής, οι οποίες έδειξαν ότι τμήματα των άμορφων διεπιφανειών κρυσταλλώνονται υπό πίεση και απελευθερώνουν νέες διαταραχές προς τα γειτονικά στρώματα του κράματος.

Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι διεπιφάνειες δεν αποτελούν αδύναμα σημεία αλλά ενεργούς μηχανισμούς που επιτρέπουν στο υλικό να απορροφά μεγάλες καταπονήσεις χωρίς να χάνει την εξαιρετική του αντοχή.

Επόμενος στόχος: εφαρμογές σε κινητήρες

Προς το παρόν το νέο υλικό έχει τη μορφή νανοστρωματικών λεπτών υμενίων και όχι μαζικών εξαρτημάτων κατάλληλων για κινητήρες. Ο επόμενος στόχος των ερευνητών είναι να μεταφέρουν την ίδια αρχιτεκτονική σε μεγαλύτερα νανοσύνθετα κράματα κοβαλτίου-αλουμινίου που θα μπορούν να κατασκευάζονται σε βιομηχανική κλίμακα.

«Θα εξετάσουμε επίσης αν η ίδια προσέγγιση μπορεί να εφαρμοστεί και σε άλλες διαμεταλλικές ενώσεις, ώστε να διαπιστώσουμε αν αποτελεί μια γενική μέθοδο βελτίωσης της πλαστικότητάς τους» είπε ο Ξου. Εάν η τεχνική αποδειχθεί αποτελεσματική και σε άλλα υλικά, θα μπορούσε να προσφέρει στους μηχανικούς έναν νέο τρόπο σχεδιασμού κραμάτων για εφαρμογές όπου τα συμβατικά μέταλλα φτάνουν στα όριά τους.

Naftemporiki.gr