Ingenieure erreichen langjähriges Ziel von stabilen nanokristallinen Metallen

Ingenieure erreichen langjähriges Ziel von stabilen nanokristallinen Metallen

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Anonim

von David Chandler, MIT-Nachrichtenamt, Massachusetts Institute of Technology

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Die meisten Metalle - vom Stahl für den Bau von Brücken und Wolkenkratzern bis zum Kupfer und Gold für die Herstellung von Drähten in Mikrochips - bestehen aus Kristallen: geordnete Anordnungen von Molekülen, die ein sich perfekt wiederholendes Muster bilden. In vielen Fällen, einschließlich der obigen Beispiele, besteht das Material aus eng zusammengepackten winzigen Kristallen und nicht aus einem großen Kristall. In der Tat bietet die Herstellung der Kristalle so klein wie möglich für viele Zwecke erhebliche Leistungsvorteile, aber solche Materialien sind häufig instabil: Die Kristalle neigen dazu, sich zu verschmelzen und größer zu werden, wenn sie Hitze oder Beanspruchung ausgesetzt werden.

Jetzt haben MIT-Forscher einen Weg gefunden, um dieses Problem zu vermeiden. Sie haben Legierungen entworfen und hergestellt, die extrem kleine Körner bilden - Nanokristalle genannt -, die nur wenige Milliardstel Meter breit sind. Diese Legierungen behalten auch bei großer Hitze ihre nanokristalline Struktur. Solche Werkstoffe sind unter anderem für hochfeste Konstruktionswerkstoffe vielversprechend.

Die neuen Erkenntnisse, die sowohl eine theoretische Grundlage für die Identifizierung spezifischer Legierungen, die nanokristalline Strukturen bilden können, als auch Einzelheiten zur tatsächlichen Herstellung und Prüfung eines solchen Materials enthalten, werden in einem am 24. August in Science veröffentlichten Artikel beschrieben.

Der Doktorand Tongjai Chookajorn vom MIT (Department of Materials Science and Engineering, DMSE) leitete die Bemühungen, eine neue Klasse von Wolframlegierungen mit stabilen nanokristallinen Strukturen zu entwerfen und zu synthetisieren. Ihre DMSE-Kommilitonin Heather Murdoch entwickelte eine theoretische Methode, um geeignete Metallkombinationen und deren Anteile zu finden, die stabile Legierungen ergeben würden. Chookajorn synthetisierte das Material dann erfolgreich und demonstrierte, dass es tatsächlich die Stabilität und Eigenschaften besitzt, die Murdochs Theorie vorhersagte. Sie sind zusammen mit ihrem Berater Christopher Schuh, dem Danae- und Vasilis Salapatas-Professor für Metallurgie und dem Abteilungsleiter des DMSE Mitautoren des Papers.

Forscher und die Metallindustrie haben seit Jahrzehnten versucht, Legierungen mit immer kleineren Kristallkörnern herzustellen, so Schuh. Aber, fügt er hinzu, "die Natur tut das nicht gern. Die Natur findet in der Regel Zustände mit niedriger Energie, und größere Kristalle haben normalerweise eine niedrigere Energie."

Murdoch suchte nach Paarungen mit dem Potenzial zur Bildung stabiler Nanokristalle und untersuchte viele Kombinationen von Metallen, die auf natürliche Weise nicht zusammen gefunden und im Labor nicht hergestellt wurden. "Der konventionelle metallurgische Ansatz zum Entwerfen einer Legierung berücksichtigt keine Korngrenzen", erklärt Schuh, sondern konzentriert sich darauf, ob die verschiedenen Metalle miteinander vermischt werden können oder nicht. Entscheidend für die Bildung stabiler Nanokristalle seien jedoch die Korngrenzen. Deshalb hat Murdoch einen Weg gefunden, diese Korngrenzenbedingungen in die Berechnungen des Teams einzubeziehen.

Warum sollte man sich die Mühe machen, solche Materialien zu entwerfen? Weil sie Eigenschaften haben können, die andere, konventionellere Metalle und Legierungen nicht haben, sagen die Forscher. Zum Beispiel ist die Wolfram- und Titanlegierung, die die MIT-Forscher in dieser Studie entwickelt und getestet haben, wahrscheinlich außergewöhnlich stark und könnte zum Schutz vor Stößen, zum Schutz von industriellen oder militärischen Maschinen oder zur Verwendung in Fahrzeug- oder Personenpanzerungen eingesetzt werden. Die Forscher betonen jedoch, dass diese Grundlagenforschung zu einem breiten Spektrum möglicher Verwendungen führen könnte. "Dies ist eine Fallstudie, aber es gibt möglicherweise Hunderte von Legierungen, die wir herstellen könnten", sagt Schuh.

Andere nanokristalline Materialien, die mit diesen Methoden entwickelt wurden, könnten zusätzliche wichtige Eigenschaften aufweisen, beispielsweise eine außergewöhnliche Korrosionsbeständigkeit, so das Team. Aus der nahezu unendlichen Anzahl möglicher Kombinationen und Proportionen von Dutzenden metallischer Elemente Materialien zu finden, die mit solch winzigen Kristallkörnern stabil bleiben, wäre durch Ausprobieren nahezu unmöglich. "Wir können für Hunderte von Legierungen berechnen, welche funktionieren und welche nicht", sagt Murdoch.

Der Schlüssel zum Entwerfen nanokristalliner Legierungen liegt darin, "die Systeme zu finden, bei denen ein Legierungselement beim Hinzufügen an die Korngrenzen gelangt und diese stabilisiert", sagt Schuh, anstatt sich gleichmäßig im Material zu verteilen. Nach der klassischen Metallurgietheorie ist eine solche selektive Anordnung der Materialien nicht zu erwarten.

Das von Chookajorn synthetisierte Wolfram-Titan-Material, das nur 20 Nanometer große Körner aufweist, blieb eine ganze Woche lang bei einer Temperatur von 1.100 Grad Celsius stabil - eine Temperatur, die mit Verarbeitungstechniken wie dem Sintern vereinbar ist, bei der pulverförmiges Material in eine Form gepackt wird und erhitzt, um eine feste Form zu erzeugen. Dies bedeutet, dass diese Legierung leicht zu einem praktischen Material für eine Vielzahl von Anwendungen werden könnte, bei denen es auf eine hohe Festigkeit und Schlagzähigkeit ankommt, so die Forscher.