Створити надзвичайно міцний метал — складне завдання. Але зробити його одночасно міцним і достатньо гнучким, щоб він міг витримувати деформації без руйнування, ще складніше. Саме цього вдалося досягти дослідникам з Університету Пердью, які розробили новий матеріал на основі кобальту та алюмінію, здатний перевершувати деякі конструкційні сталі за міцністю майже у десять разів.
Відкриття може мати велике значення для галузей, де матеріали працюють у найекстремальніших умовах — від авіаційних двигунів до енергетичного обладнання та космічної техніки.
Проблема надміцних матеріалів
Новий матеріал отримав назву CoAl і належить до класу інтерметалічних сполук. Такі матеріали мають дуже впорядковану атомну структуру. Саме завдяки цьому вони демонструють високу міцність, стійкість до зношування та здатність працювати за високих температур.
Однак ця ж особливість є їхньою слабкістю.
Коли на матеріал діють великі навантаження, атоми в ідеально організованій структурі не мають достатньо можливостей для переміщення. У результаті матеріал може раптово зламатися, не встигнувши деформуватися та поглинути частину енергії удару. Це суттєво обмежує використання таких сполук у деталях, які повинні витримувати постійні навантаження — наприклад, у компонентах авіаційних турбін.
Вчені навмисно додали «недосконалості»
Щоб вирішити цю проблему, дослідники не стали створювати максимально ідеальну структуру матеріалу. Навпаки — вони спеціально додали до неї контрольовані дефекти.
Йдеться про так звані дислокації — невеликі порушення в розташуванні атомів.
У багатьох металах саме такі дефекти допомагають матеріалу залишатися міцним, але водночас пластичним. Вони дозволяють окремим шарам атомів трохи зміщуватися один відносно одного замість того, щоб структура одразу руйнувалася. Фактично вчені використали недоліки матеріалу як перевагу.
Наношари допомогли зробити метал витривалішим
Окрім дислокацій, команда створила в матеріалі надтонкі аморфні прошарки — ділянки, де атоми вже не розташовані у звичному кристалічному порядку.
Під час механічного навантаження ці області стають своєрідними зонами адаптації. Вони активуються під дією тиску та сприяють появі нових дислокацій, завдяки чому матеріал отримує більше можливостей для деформації без руйнування. У результаті структура може одночасно витримувати величезні сили та залишатися достатньо пластичною.
Результати перевершили звичайні сталі
Під час випробувань новий матеріал продемонстрував дуже високі показники. Його межа текучості перевищила 6 гігапаскалів (ГПа). Для порівняння, навіть дуже міцні конструкційні сталі зазвичай мають цей показник на рівні приблизно 0,6–1 ГПа.
Крім того, наноламінований матеріал зміг витримати понад 15% пластичної деформації при стисканні за кімнатної температури без негайного руйнування. Це особливо важливо, оскільки багато надміцних матеріалів мають проблему крихкості — вони витримують величезні навантаження, але ламаються раптово.
До промислового використання ще далеко
Попри вражаючі результати, новий матеріал поки що перебуває на ранній стадії розвитку.
Дослідники створили його у вигляді наноструктурованої багатошарової системи за допомогою технології осадження з парової фази. Це складний лабораторний процес, який поки не дозволяє легко виготовляти великі промислові деталі. Одним із головних завдань майбутніх досліджень стане пошук способів масштабного виробництва.
Потенціал далеко за межами однієї сполуки
Попри те, що зараз робота зосереджена на сплаві кобальту й алюмінію, її значення може бути значно ширшим.
Якщо подібний підхід вдасться застосувати до інших інтерметалічних матеріалів, це може відкрити новий напрям у створенні надміцних конструкцій. Такі матеріали можуть знайти застосування у:
- авіаційних двигунах, де потрібна висока термостійкість;
- енергетичних установках із великими навантаженнями;
- космічних апаратах, де кожен грам ваги має значення;
- промислових механізмах, що працюють у жорстких умовах.
Нове дослідження показує, що майбутнє матеріалознавства може полягати не у створенні ідеальних структур без дефектів, а в умілому керуванні ними. Саме контрольовані «недосконалості» можуть стати ключем до металів нового покоління — міцніших, легших і здатних витримувати те, що раніше було неможливим.