Ingenieurforscher der Purdue University haben kürzlich einen Durchbruch auf dem Gebiet der Materialwissenschaften erzielt und erfolgreich ein neues nanolaminiertes Kobalt-Aluminium-Verbundmaterial entwickelt. Dieses Material bricht den Fluch der inkompatiblen Festigkeit und Duktilität traditioneller Hochleistungsmetalle vollständig. Seine Festigkeit kann bis zu zehnmal höher sein als die von hochfestem Baustahl und weist bei Raumtemperatur immer noch eine hervorragende Verformungs- und Bruchbeständigkeit auf. Die Forschungsergebnisse wurden offiziell in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht.
In hochpräzisen Bereichen wie Luft- und Raumfahrt und Energie müssen Schlüsselkomponenten wie Turbinenschaufeln extrem hohen Temperaturen und starken mechanischen Belastungen standhalten, ohne sich zu verbiegen, zu reißen oder zu kriechen. Obwohl intermetallische Verbindungen wie Kobalt und Aluminium aufgrund ihrer hochgeordneten Kristallstrukturen extrem hohe Schmelzpunkte, Kriechfestigkeit und Festigkeit aufweisen, besteht ihre fatale Schwäche darin, dass sie bei Raumtemperatur extrem spröde sind und bei der geringsten äußeren Einwirkung brechen, was sie bei der tatsächlichen Herstellung und Anwendung vor große Herausforderungen stellt.
Um dieses Branchenproblem zu lösen, brach ein Forschungsteam der Purdue University mit Konventionen und führte Unvollkommenheiten im atomaren Maßstab in den Herstellungsprozess ein. Die Forscher verwendeten die Magnetron-Sputtering-Abscheidungstechnologie, um das Material direkt vom Legierungsdampf in einen festen Film umzuwandeln. Dabei implantierten sie geschickt eine große Anzahl bereits vorhandener mikroskopischer Versetzungen in das Kobalt-Aluminium-Material und bauten ein einzigartiges Gerüst aus einer amorphen Grenzfläche auf. Diese amorphen flexiblen Grenzen kristallisieren teilweise, wenn sie durch äußere Kräfte extrudiert und verformt werden, wodurch weitere Versetzungen in der umgebenden Kobalt-Aluminium-Schicht aktiviert und induziert werden. Dieses mikroskopische Design verleiht dem ursprünglich fragilen Kristallgitter einen neuen Energieabsorptions- und Verformungsmechanismus.
Nanomechanische Tests zeigen, dass die Streckgrenze dieses neuen nanolaminierten Kobalt-Aluminium-Materials erstaunliche 6 Gigapascal erreicht, was dem 6- bis 10-fachen von hochfestem Baustahl entspricht. Gleichzeitig kann es unter Kompressionsbedingungen bei Raumtemperatur einer plastischen Dehnung von mehr als 15 % standhalten und weist eine hohe Beständigkeit gegen bleibende Verformung und Sprödbruch auf. Forscher der University of Houston bestätigten außerdem durch Molekulardynamiksimulationen, dass diese amorphe Grenzfläche unter Druck als aktive Quelle plastischer Verformung fungiert und ein perfektes Gleichgewicht zwischen ultrahoher mechanischer Festigkeit und ausgezeichneter Duktilität herstellt.
Das Forschungsteam erklärte, dass dieser Durchbruch nicht nur einen neuen Weg zur Lösung der Sprödigkeitsmängel intermetallischer Verbindungen bietet, sondern auch eine solide Grundlage für die zukünftige Gestaltung fortschrittlicher Materialien in der Luft- und Raumfahrt, der Weltraumforschung sowie in hochmodernen Energie- und Verteidigungsbereichen legt. Im nächsten Schritt werden die Forscher daran arbeiten, dieses nanoskalige Strukturdesignkonzept auf die Massenfertigung von Verbundwerkstoffen in größerem Maßstab auszuweiten und seine Anwendung auf andere spröde intermetallische Verbindungssysteme zu fördern, um ultrastarke und zähe neue Legierungen für breitere industrielle Anwendungen zu fördern.