Исследователи из Университета Пердью недавно совершили прорыв в области материаловедения и успешно разработали новый наноламинированный кобальт-алюминиевый композитный материал. Этот материал полностью разрушает проклятие несовместимости прочности и пластичности традиционных высокопроизводительных металлов. Его прочность может быть в 10 раз выше, чем у высокопрочной конструкционной стали, и он по-прежнему обладает превосходной устойчивостью к деформации и разрушению при комнатной температуре. Результаты исследования были официально опубликованы в журнале Science Advances.
В высокоточных областях, таких как аэрокосмическая промышленность и энергетика, ключевые компоненты, такие как лопатки турбин, должны выдерживать экстремально высокие температуры и серьезные механические нагрузки без изгиба, растрескивания или ползучести. Хотя интерметаллические соединения, такие как кобальт и алюминий, имеют чрезвычайно высокие температуры плавления, сопротивление ползучести и прочность благодаря своей высокоупорядоченной кристаллической структуре, их фатальная слабость заключается в том, что они чрезвычайно хрупкие при комнатной температуре и разрушаются при малейшем внешнем воздействии, что приводит к огромным проблемам в реальном производстве и применении.
Чтобы решить эту отраслевую проблему, исследовательская группа из Университета Пердью нарушила традиции и внесла в производственный процесс несовершенства атомного масштаба. Исследователи использовали технологию магнетронного распыления, чтобы превратить материал непосредственно из паров сплава в твердую пленку. В процессе они хитро имплантировали большое количество уже существовавших микроскопических дислокаций внутрь кобальт-алюминиевого материала и построили уникальный каркас, состоящий из аморфной границы раздела. Эти аморфные гибкие границы частично кристаллизуются, когда они выдавливаются и деформируются внешними силами, тем самым активируя и вызывая больше дислокаций в окружающем кобальт-алюминиевом слое. Эта микроскопическая конструкция придает изначально хрупкой кристаллической решетке новый механизм поглощения энергии и деформации.
Наномеханические испытания показывают, что предел текучести этого нового наноламинированного материала из кобальта и алюминия достигает удивительных 6 гигапаскалей, что в 6–10 раз превышает предел текучести высокопрочной конструкционной стали. В то же время он может выдерживать пластическую деформацию более 15% в условиях сжатия при комнатной температуре, демонстрируя высокую устойчивость к остаточной деформации и хрупкому разрушению. Исследователи из Университета Хьюстона с помощью молекулярно-динамического моделирования подтвердили, что этот аморфный интерфейс действует как активный источник пластической деформации под давлением, идеально балансируя сверхвысокую механическую прочность и превосходную пластичность.
Исследовательская группа заявила, что этот прорыв не только открывает новый способ решения проблемы хрупкости интерметаллических соединений, но также закладывает прочную основу для будущего проектирования передовых материалов в аэрокосмической отрасли, исследовании космического пространства, а также в передовых областях энергетики и обороны. На следующем этапе исследователи будут работать над расширением этой концепции наноразмерного структурного проектирования для более масштабного производства композитных материалов и продвигать ее применение к другим системам хрупких интерметаллических соединений, чтобы продвигать сверхпрочные и жесткие новые сплавы для более широкого промышленного применения.