Ingeniører viser, hvordan man forhindrer brud på faste overflader på fly, elektroniske enheder

Ingeniører ved University of California San Diego har opdaget, hvordan man kan hæmme brud i faste overflader, en konstatering, der har særlig relevans for flyfremstillings- og elektronikindustrien.

Forskerne, ledet af materialevidenskab og ingeniørprofessor Julia Greer, fandt ud af, at ved at tilføje et sekundært materiale, der let smelter til overfladen af ​​tynde film, kunne de stoppe revner i at danne og udbrede sig.

I et papir offentliggjort i 15. juni-udgaven af ​​Nature Communications beskriver Greer og hendes kolleger, hvordan tilsætning af et ultratyndt lag gallium til guld gør guldoverflader meget mere modstandsdygtige over for brud.

"Dette handler om at kontrollere materialefejl i de mindste skalaer," sagde Greer, der også fungerer som direktør for UC San Diego Materials Research Laboratory (MRL). "Vi bruger galliums smelteadfærd til at hæmme sprækkekernedannelse, og fordi det er et konformt lag, fungerer det i forskellige geometrier og over en række sprækkestørrelser."

I de fleste ingeniørmaterialer starter revner ved defekter og vokser under belastning, indtil materialet går i stykker. Ifølge Greer er dette konventionelle billede af brud ufuldstændigt. Hun foreslår, at revner ikke kun dannes af defekter i større skala, men også fra mindre overfladeruhed.

"Fraktur er traditionelt blevet tænkt som at ske i mikroskala eller større," sagde Greer. "Men revner skabes af processer på atomare skala. Vi tager højde for disse processer, som normalt ignoreres."

Forskerne testede deres hypotese ved hjælp af tynde guldfilm aflejret på et glassubstrat. Filmene blev derefter udsat for trækbelastning, og holdet observerede brudadfærden af ​​filmene ved hjælp af elektronmikroskopi.

De fandt ud af, at guldfilmene med galliumlaget udviste signifikant højere brudsejhed end de rene guldfilm. Galliumlaget forhindrede dannelsen af ​​revner, selv når guldfilmene blev udsat for høje trækbelastninger.

Holdets resultater tyder på, at et materiales brudsejhed kan forbedres væsentligt ved blot at tilføje et lag materiale, der smelter ved en lavere temperatur end selve materialet. Denne tilgang kunne bruges til at forbedre pålideligheden og holdbarheden af ​​en lang række materialer og strukturer, fra flykomponenter til elektroniske enheder.

"Vi taler om tynde belægninger - mindre end en milliontedel af en meter - men de har en dyb indvirkning på brudadfærd," sagde Greer. "Denne indsigt har implikationer for fremstilling og materialedesign."

Ud over Greer inkluderede forskerholdet MRL-kandidatstuderende Xiaoyue Ma og Qiang Yu. Forskningen blev støttet af National Science Foundation og Air Force Office of Scientific Research.

Flyfremstilling

Luftfartsindustrien bruger i øjeblikket nitter til at sammenføje metalplader i flystrukturer. Brugen af ​​nitter skaber dog spændingskoncentrationer, som kan føre til revner og eventuelt svigt. Tilføjelsen af ​​et tyndt lag gallium til overfladerne af disse plader kan hjælpe med at hæmme revnedannelse og forbedre den overordnede sikkerhed og pålidelighed af flystrukturer.

Elektroniske enheder

Elektroniske enheder er også modtagelige for revner, især på nanoskala. Brugen af ​​et galliumlag kan hjælpe med at forhindre revner i at dannes i disse enheder, hvilket forbedrer deres pålidelighed og ydeevne.

Konklusion

Opdagelsen af ​​Greer og hendes team har vigtige konsekvenser for rumfarts- og elektronikindustrien såvel som andre industrier, der er afhængige af tynde film. Ved at tilføje et sekundært materiale, der let smelter til overfladen af ​​tynde film, kan ingeniører forbedre brudsejheden og pålideligheden af ​​disse materialer betydeligt.