Elektronrike metaller gjør keramikk vanskelig å bryte

Forskere har oppdaget en måte å gjøre keramikk hardere og mer motstandsdyktig mot sprekker. Ved å bygge disse materialene ved å bruke en blanding av metallatomer som har flere elektroner i deres ytre skall, har et team ledet av ingeniører ved University of California i San Diego låst opp potensialet til å la keramikk håndtere høyere nivåer av kraft og stress enn før.

Keramikk gir mange fordeler på grunn av sine ekstraordinære egenskaper, inkludert evnen til å tåle ekstremt høye temperaturer, motstå korrosjon og overflateslitasje, og opprettholde lette profiler. Disse egenskapene gjør dem egnet for en rekke bruksområder som luftfartskomponenter og beskyttende belegg for motorer og skjæreverktøy. Imidlertid har deres svakhet alltid vært deres skjørhet. De går lett i stykker under stress.

Men nå har forskere funnet en løsning som kan gjøre keramikk vanskeligere å bryte. De publiserte arbeidet sitt nylig i Fremskritt innen vitenskap.

Studien, ledet av UC San Diego nanoingeniørprofessor Kenneth Vecchio, fokuserer på en klasse keramikk kjent som høyentropiske karbider. Disse materialene har svært uordnede atomstrukturer, sammensatt av karbonatomer bundet til flere metalliske elementer i den fjerde, femte og sjette kolonnen i det periodiske systemet. Disse metallene inkluderer for eksempel titan, niob og wolfram. Forskerne fant at nøkkelen til å forbedre seigheten til keramikk ligger i bruken av metaller fra den femte og sjette kolonnen i det periodiske systemet, på grunn av deres større antall valenselektroner.

Valenselektroner, de som befinner seg i det ytre skallet av et atom og er forpliktet til å binde seg til andre atomer, viste seg å være en avgjørende faktor. Ved å bruke metaller med et høyere antall valenselektroner, klarte forskerne å forbedre materialets motstand mot sprekker når det utsettes for mekanisk belastning og stress.

«De ekstra elektronene er viktige fordi de faktisk gjør det keramiske materialet mer duktilt, noe som betyr at det kan gjennomgå mer deformasjon før det går i stykker, på samme måte som et metall,» sa Vecchio.

For bedre å forstå denne effekten, samarbeidet Vecchios gruppe med Davide Sangiovanni, professor i teoretisk fysikk ved Linköpings universitet i Sverige. Sangiovanni kjørte beregningssimuleringene, og Vecchios team fabrikerte og testet materialene eksperimentelt.

Teamet studerte høyentropi karbider preget av ulike kombinasjoner av fem metalliske elementer. Hver kombinasjon produserte en annen konsentrasjon av valenselektroner i materialet.

De identifiserte to høyentropi karbider som viste eksepsjonell motstand mot sprekkdannelse under belastning eller stress, takket være deres høye konsentrasjoner av valenselektroner. Den ene var sammensatt av metallene vanadium, niob, tantal, molybden og wolfram. Den andre varianten erstattet nioben med krom i blandingen.

Under belastning eller mekanisk påkjenning var disse materialene i stand til å deformere eller strekke seg, og liknet oppførselen til metaller i stedet for den typiske sprø responsen til keramikk. Når disse materialene ble punktert eller separert, begynte bindingene å bryte, og dannet åpninger på størrelse med atomer. De ekstra valenselektronene rundt metallatomene omorganiserte seg deretter for å fylle disse hullene, og dannet nye bindinger mellom nabometallatomer. Denne mekanismen bevarte strukturen til materialet rundt åpningene, og hindret dem effektivt i å forstørre og danne sprekker.

«Vi fant at det er denne underliggende transformasjonen som skjer på nanoskala der bindingene omorganiseres for å holde materialet sammen,» sa studiemedforfatter Kevin Kaufmann, en UC San Diego nanoingeniør Ph.D. student ved Vecchios laboratorium. «I stedet for bare å sprekke langs bruddoverflaten, løsner materialet seg sakte som et tau når det trekkes. På denne måten kan materialet tilpasse seg deformasjonen som oppstår og ikke svikte på en sprø måte.»

Utfordringen nå er å skalere opp produksjonen av disse slitesterke keramikkene for kommersiell bruk. Dette kan bidra til å transformere teknologier som er avhengige av høyytelses keramiske materialer, fra luftfartskomponenter til biomedisinske implantater.

Den nyvunne seigheten til disse keramikkene baner også vei for bruk i ekstreme applikasjoner, som forkantene til hypersoniske kjøretøyer. Sterkere keramikk kan tjene som et frontlinjeforsvar for disse kjøretøyene, beskytte vitale komponenter fra sammenstøt med rusk og la kjøretøyene bedre overleve supersoniske flyvninger, forklarte Vecchio.

«Ved å adressere en langvarig begrensning av keramikk, kan vi dramatisk utvide bruken av dem og skape neste generasjons materialer som har potensial til å revolusjonere samfunnet vårt,» sa Vecchio.

Henvisning: Sangiovanni DG, Kaufmann K, Vecchio K. Valenselektronkonsentrasjon som en nøkkelparameter for å kontrollere bruddseigheten til ildfaste karbider med høy entropi. Ski Advokat. 2023;9(37):eadi2960. gjør jeg: 10.1126/sciadv.adi2960

Denne artikkelen ble publisert på nytt fra følgende materialer. Merk: Materialet kan ha blitt redigert i lengde og innhold. For mer informasjon, kontakt den siterte kilden.