Ndërmetalikat janë materiale të ngurta të përbëra nga dy ose më shumë elemente metalike, të vendosura në një strukturë kristalore shumë të rregullt. Organizimi i tyre i pazakontë atomik mund t’u japë atyre fortësi të jashtëzakonshme, temperatura të larta shkrirjeje dhe rezistencë të madhe ndaj zvarritjes, që është deformimi i ngadaltë i një materiali nën ndikimin e nxehtësisë dhe stresit për një kohë të gjatë.
Këto cilësi i bëjnë ndërmetalikat të vlefshme për teknologji që kërkojnë performancë të lartë, përfshirë motorët reaktivë, turbinat me gaz, sistemet e ruajtjes së energjisë dhe komponentët automobilistikë. Megjithatë, shumë prej këtyre materialeve kanë një dobësi të madhe. Ato priren të jenë jashtëzakonisht të brishta.
Bërja e një materiali të fortë por të brishtë më fleksibël
Plasticiteti i referohet aftësisë së një materiali për të ndryshuar formën në mënyrë të përhershme pa u çarë ose thyer. Për aplikimet industriale, kjo është e rëndësishme sepse një material që nuk mund të deformohet është i vështirë për t’u formuar në komponentë kompleksë dhe mund të çahet papritur nën stres.
Xinghang Zhang, profesor në Shkollën e Inxhinierisë së Materialeve të Universitetit Purdue, është autori përgjegjës i punimit me titull:
“Plasticiteti në ndërmetalikat e brishta i mundësuar nga struktura e ndërfaqeve amorfe dhe dislokimeve paraekzistuese.”
“Ndërmetalikat masive CoAl janë një përbërje me rezistencë të lartë,” tha Zhang. “Ndër aplikimet e tjera, ato potencialisht mund të përdoren në materialet e gjeneratës së ardhshme për fletët e turbinave të motorëve ajrorë, të cilët janë motorë me turbina gazi që prodhojnë shtytje për lëvizjen e avionëve. Aliazhet CoAl me rezistencë të lartë dhe të deformueshme në mënyrë plastike mund të lejojnë që një motor ose turbo të rrotullohet më shpejt duke përballuar forcë më të lartë centrifugale, duke përmirësuar performancën e tyre.”
Ashtu si shumë ndërmetalika të tjera, CoAl masiv është veçanërisht i brishtë në temperaturën e dhomës. Dhënia e një plasticiteti më të madh mund ta bëjë më të lehtë prodhimin e tij dhe t’u lejojë inxhinierëve të krijojnë struktura më të sofistikuara për motorë dhe sisteme të tjera me performancë të lartë.
“Në këtë studim, ne tregojmë se CoAl mund të shfaqë plasticitet të konsiderueshëm në temperaturën e dhomës, duke ofruar një qasje të re alternative për përmirësimin e aftësisë së deformimit plastik të CoAl,” tha Xu.
Defektet atomike bëhen një avantazh
Përpjekjet e mëparshme për të përmirësuar plasticitetin e CoAl u përqendruan në ndryshimin e përbërjes së tij, rregullimin e mikrostrukturës ose kombinimin e tij me materiale të tjera. Këto qasje prodhuan rezultate të kufizuara sepse nuk krijuan një densitet mjaftueshëm të lartë dislokimesh brenda ndërmetalikut.
Dislokimet janë parregullsi mikroskopike në një kristal, ku atomet nuk janë më të rreshtuara në një model plotësisht të rregullt. Megjithëse fjala defekt mund të sugjerojë një dobësi, dislokimet mund t’u ndihmojnë metaleve të deformohen nën forca ekstreme në vend që të copëtohen.
Që CoAl të bëhet plastik në temperaturën e dhomës, materiali ka nevojë për një numër të madh të këtyre dislokimeve.
“Ne i futëm drejtpërdrejt dislokimet në CoAl gjatë depozitimit me spërkatje (sputtering),” tha Zhang. “Më e rëndësishmja, ne projektuam strukturën e ndërfaqeve amorfe (FAI) — kufij fleksibël brenda materialeve që sigurojnë fleksibilitet strukturor, të cilët kristalizohen pjesërisht gjatë deformimit dhe nxisin formimin e dislokimeve në ndërmetalikat CoAl.”
Struktura e ndërfaqeve amorfe përbëhet nga kufij të brendshëm fleksibël që fillimisht nuk kanë të njëjtën strukturë kristalore të rregullt si materiali përreth. Ndërsa CoAl deformohet, pjesë të këtyre ndërfaqeve kristalizohen dhe ndihmojnë në krijimin e dislokimeve të reja.
Deri në 10 herë më i fortë se çeliku strukturor
Kombinimi i dislokimeve të krijuara gjatë prodhimit dhe strukturës së ndërfaqeve amorfe prodhoi një ndërmetal CoAl jashtëzakonisht të fortë.
Testet treguan se materiali arriti një rezistencë ndaj rrjedhjes prej 6 GPa (gigapaskal, një njësi matëse e stresit). Kjo është afërsisht gjashtë deri në dhjetë herë më e lartë se rezistenca ndaj rrjedhjes së çelikut strukturor me rezistencë të lartë.
Rezistenca ndaj rrjedhjes përshkruan sasinë e stresit që një material mund të përballojë përpara se të fillojë të deformohet në mënyrë të përhershme. Pavarësisht fortësisë së tij ekstreme, materiali CoAl gjithashtu ruajti 15% deformim plastik nën ngjeshje në temperaturën e dhomës.
“Ky kombinim i forcës mekanike ultra të lartë dhe plasticitetit të jashtëzakonshëm e bën sistemin aktual CoAl me nanolaminë një nga sistemet ndërmetalike më të mira të raportuara deri më sot,” tha Xu.
Një mënyrë ndryshe për prodhimin e ndërmetalikeve
Kërkuesit e prodhuan materialin duke përdorur depozitimin me spërkatje magnetron (magnetron sputtering deposition), një proces që aplikon një shtresë të hollë materiali mbi një sipërfaqe. Kjo metodë prodhimi jashtë ekuilibrit u lejoi atyre të krijonin CoAl me ndërfaqe binare amorfe kobalt-alumin.
Kjo qasje është shumë e ndryshme nga derdhja tradicionale e metaleve (nga gjendja e lëngshme në të ngurtë), e cila fillon me material të shkrirë dhe e lejon atë të ftohet duke u kthyer në formë të ngurtë.
Në vend të kësaj, depozitimi me spërkatje magnetron krijon materialin nga avulli i aliazhit. Ky proces u mundësoi kërkuesve të futnin shumë më tepër dislokime në CoAl sesa zakonisht lejon derdhja tradicionale.
“Kjo qasje prodhimi jashtë ekuilibrit na mundëson të prodhojmë materiale nga avulli i aliazhit në një gjendje të ngurtë, duke futur një numër të konsiderueshëm dislokimesh në CoAl,” tha Zhang. “Ne arritëm të sigurojmë forcë dhe plasticitet të konsiderueshëm në CoAl, gjë që nuk mund të realizohet përmes derdhjes tradicionale.”
Vëzhgimi i deformimit të materialit
Për të matur performancën mekanike (forcën dhe plasticitetin) e ndërmetalikeve CoAl, ekipi kreu teste mekanike in situ brenda një mikroskopi elektronik skanues.
Kjo metodë u lejoi kërkuesve të vëzhgonin materialin ndërsa deformohej dhe të ndiqnin sjelljen e tij me saktësi mikrometrike.
Profesoresha Yashashree Kulkarni dhe studenti i saj i doktoraturës Anand Mathew gjithashtu kontribuan në projekt. Ata përdorën simulime të dinamikës molekulare për të ekzaminuar proceset që ndodhin brenda CoAl në nivelin atomik.
Simulimet treguan se strukturat e ndërfaqeve amorfe kristalizoheshin gjatë deformimit. Ato zbuluan gjithashtu se dislokimet lëviznin nga ndërfaqet e shtresave drejt shtresave përreth të CoAl, duke ndihmuar në shpjegimin e mënyrës se si materiali mund të deformohej pa u thyer shpejt.
Shkallëzimi i metalit për përdorim industrial
Eksperimentet treguan se ndërfaqet e shtresave të projektuara në mënyrë të veçantë mund të përmirësojnë ndjeshëm deformueshmërinë plastike të CoAl. Tani kërkuesit do të përpiqen të aplikojnë të njëjtin koncept te nanokompozitet masivë CoAl, të cilët mund të prodhohen për aplikime në shkallë industriale.
“Ne gjithashtu do ta testojmë këtë koncept duke përdorur ndërmetalika të tjera, me synimin për të përcaktuar zbatueshmërinë e përgjithshme të FAIs për përmirësimin e plasticitetit në këtë klasë metalesh,” tha Xu.
Faza e ardhshme e kërkimit do të udhëhiqet nga Grupi Nanometal i Zhang. Grupi kombinon sintezën e materialeve, testimin nanomekanik in situ dhe analizën e avancuar të mikrostrukturës në shkallë atomike për të zhvilluar materiale metalike që janë njëkohësisht të forta dhe të deformueshme.
Kërkimi më i gjerë i Zhang përfshin gjithashtu sintezën e nanomaterialeve, dëmtimin nga rrezatimi në materialet me nano-strukturë, sjelljen mekanike të metaleve me nano-strukturë dhe materialet funksionale.
Aplikime të mundshme në hapësirë ajrore dhe energji
Gjetjet mund të kenë pasoja të rëndësishme për disa sektorë të teknologjisë së avancuar. Ndërmetalikat më të forta dhe më duktilë mund të mbështesin zhvillimin e fletëve të përmirësuara të turbinave, motorëve të avionëve, sistemeve energjetike, teknologjive të mbrojtjes dhe materialeve të projektuara për përdorim në hapësirë.
“Ndërmetalikat duktilë do të rrisin ndjeshëm aftësitë tona për projektimin e materialeve të avancuara për hapësirën ajrore dhe hapësirën e jashtme, si dhe për aplikimet në energji dhe mbrojtje,” tha Zhang.
