Technische onderzoekers van Purdue University hebben onlangs een doorbraak bereikt op het gebied van de materiaalkunde en hebben met succes een nieuw kobalt-aluminium nanogelamineerd composietmateriaal ontwikkeld. Dit materiaal verbreekt volledig de vloek van onverenigbare sterkte en ductiliteit van traditionele hoogwaardige metalen. De sterkte kan tot tien keer zo hoog zijn als die van constructiestaal met hoge sterkte, en het heeft nog steeds een uitstekende weerstand tegen vervorming en breuk bij kamertemperatuur. De onderzoeksresultaten zijn officieel gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances.

In gebieden met hoge precisie, zoals de lucht- en ruimtevaart en de energiesector, moeten belangrijke componenten zoals turbinebladen bestand zijn tegen extreem hoge temperaturen en zware mechanische belasting, zonder te buigen, barsten of kruipen. Hoewel intermetallische verbindingen zoals kobalt en aluminium extreem hoge smeltpunten, kruipweerstand en sterkte hebben vanwege hun zeer geordende kristalstructuren, is hun fatale zwakte dat ze extreem bros zijn bij kamertemperatuur en bij de geringste externe impact zullen breken, waardoor ze voor enorme uitdagingen komen te staan ​​bij de daadwerkelijke productie en toepassing.

Om dit industriële probleem op te lossen, brak een onderzoeksteam van de Purdue University met de conventies en introduceerde onvolkomenheden op atomaire schaal in het productieproces. De onderzoekers gebruikten magnetronsputterdepositietechnologie om het materiaal rechtstreeks van legeringsdamp naar een vaste film te transformeren. Daarbij implanteerden ze op slimme wijze een groot aantal reeds bestaande microscopische dislocaties in het kobalt-aluminiummateriaal en bouwden ze een uniek raamwerk bestaande uit een amorfe interface. Deze amorfe flexibele grenzen zullen gedeeltelijk kristalliseren wanneer ze worden geëxtrudeerd en vervormd door externe krachten, waardoor meer dislocaties in de omringende kobalt-aluminiumlaag worden geactiveerd en geïnduceerd. Dit microscopische ontwerp geeft het oorspronkelijk kwetsbare kristalrooster een nieuw energieabsorptie- en vervormingsmechanisme.

Nanomechanische tests tonen aan dat de vloeigrens van dit nieuwe kobalt-aluminium nanogelamineerde materiaal een verbazingwekkende 6 gigapascal bereikt, wat overeenkomt met 6 tot 10 keer die van constructiestaal met hoge sterkte. Tegelijkertijd is het bestand tegen meer dan 15% plastische spanning onder compressieomstandigheden bij kamertemperatuur, en vertoont het een sterke weerstand tegen permanente vervorming en brosse breuk. Onderzoekers van de Universiteit van Houston bevestigden verder door middel van moleculaire dynamica-simulaties dat dit amorfe grensvlak fungeert als een actieve bron van plastische vervorming onder druk, waardoor ultrahoge mechanische sterkte en uitstekende ductiliteit perfect in balans zijn.

Het onderzoeksteam stelde dat deze doorbraak niet alleen een nieuwe manier biedt om de broosheidsdefecten van intermetaalverbindingen op te lossen, maar ook een solide basis legt voor het toekomstige ontwerp van geavanceerde materialen in de lucht- en ruimtevaart, de verkenning van de ruimte en de allernieuwste energie- en defensievelden. In de volgende stap zullen onderzoekers werken aan het uitbreiden van dit structurele ontwerpconcept op nanoschaal naar grootschalige composietproductie in bulk, en de toepassing ervan op andere brosse intermetallische verbindingssystemen bevorderen om ultrasterke en taaie nieuwe legeringen naar bredere industriële toepassingen te bevorderen.