Højtryksnøgle til lighter, stærkere metallegeringer, finder forskere

Højt tryk kan være nøglen til at lave avancerede metalblandinger, der er lettere, stærkere og mere varmebestandig end konventionelle legeringer, en ny undersøgelse foretaget af forskere fra Stanford.

Mennesker har blandet metaller sammen for at skabe legeringer med unikke egenskaber i tusinder af år. Men traditionelle legeringer består typisk af et eller to dominerende metaller med en knivspids andre metaller eller elementer kastet i. Klassiske eksempler omfatter tilsætning af tin til kobber for at lave bronze, eller kul til jern for at skabe stål.

I modsætning, "high-entropy" legeringer består af flere metaller blandet i omtrent lige store mængder. Resultatet er stærkere og lettere legeringer, der er mere modstandsdygtige over for varme, korrosion og stråling, og det kan endda have enestående mekanisk, magnetiske eller elektriske egenskaber.

På trods af betydelig interesse fra materialeforskere, legeringer med høj entropi mangler endnu at springe fra laboratoriet til de faktiske produkter. En væsentlig årsag er, at forskere endnu ikke har fundet ud af, hvordan de præcist kan kontrollere arrangementet, eller pakningsstruktur, af de konstituerende atomer. Hvordan en legerings atomer er arrangeret kan påvirke dets egenskaber betydeligt, hjælper med at bestemme, for eksempel, om den er stiv eller sej, stærk eller sprød.

"Nogle af de mest nyttige legeringer består af metalatomer arrangeret i en kombination af pakningskonstruktioner, "sagde studieforfatteren Cameron Tracy, en postdoktor ved Stanford's School of Earth, Energi- og miljøvidenskab og Center for International Sikkerhed og Samarbejde (CISAC).

En ny struktur

Til dato, forskere har kun været i stand til at genskabe to typer pakningsstrukturer med de fleste højentropiske legeringer, kaldet kropscentreret kubik og ansigtscentreret kubik. En tredjedel, fælles pakningsstruktur har i vid udstrækning unddraget sig forskernes indsats - indtil nu.

I den nye undersøgelse, offentliggjort online i tidsskriftet Naturkommunikation , Tracy og hans kolleger rapporterer, at de med succes har skabt en legering med høj entropi, fremstillet af almindelige og let tilgængelige metaller, med en såkaldt sekskantet tætpakket (HCP) struktur.

"Et lille antal højentropi-legeringer med HCP-strukturen er blevet lavet i de sidste par år, men de indeholder en masse eksotiske elementer, såsom alkalimetaller og sjældne jordartsmetaller, "Tracy sagde." Det lykkedes os at lave en HCP-højentropi-legering af almindelige metaller, der typisk bruges i ingeniørprogrammer. "

Tricket, det lader til, er højtryk. Tracy og hans kolleger brugte et instrument kaldet en diamantamboltcelle til at udsætte bittesmå prøver af en højentropi-legering for tryk så højt som 55 gigapascal-omtrent det tryk, man ville støde på i Jordens kappe. "Den eneste gang, du nogensinde naturligt ville se, at pres på Jordens overflade er under en virkelig stor meteoritpåvirkning, "Sagde Tracy.

Højt tryk ser ud til at udløse en transformation i den højentropiske legering, som holdet brugte, som bestod af mangan, kobolt, jern, nikkel og krom. "Forestil dig atomer som et lag af bordtennisbolde på et bord, og derefter tilføje flere lag oven på. Det kan danne en ansigtscentreret kubisk pakningsstruktur. Men hvis du flytter nogle af lagene lidt i forhold til det første, du ville få en sekskantet tætpakket struktur, "Sagde Tracy.

Forskere har spekuleret i, at grunden til, at højentropi-legeringer ikke naturligt gennemgår dette skift, er fordi interaktive magnetiske kræfter mellem metalatomerne forhindrer det i at ske. Men højt tryk ser ud til at forstyrre de magnetiske interaktioner.

"Når du trykker på et materiale, du skubber alle atomerne tættere sammen. Ofte, når du komprimerer noget, det bliver mindre magnetisk, "Sagde Tracy." Det er hvad der ser ud til at ske her:komprimering af højentropi-legeringen gør den ikke-magnetisk eller tæt på ikke-magnetisk, og en HCP -fase er pludselig mulig. "

Stabil konfiguration

Interessant nok, legeringen bevarer en HCP -struktur, selv efter at trykket er fjernet. "Det meste af tiden, når du fjerner presset, atomerne springer tilbage til deres tidligere konfiguration. Men det sker ikke her, og det er virkelig overraskende, "sagde studieforfatter Wendy Mao, lektor i geologiske videnskaber ved Stanford's School of Earth, Energi- og miljøvidenskab.

Holdet opdagede også, at ved langsomt at skrue op for trykket, de kunne øge mængden af ​​sekskantet tætpakket struktur i deres legering. "Dette tyder på, at det er muligt at skræddersy materialet til at give os præcis de mekaniske egenskaber, vi ønsker for en bestemt applikation, "Sagde Tracy.

For eksempel, forbrændingsmotorer og kraftværker kører mere effektivt ved høje temperaturer, men konventionelle legeringer har en tendens til ikke at fungere godt under ekstreme forhold, fordi deres atomer begynder at bevæge sig rundt og bliver mere uordnede.

"Legeringer med høj entropi, imidlertid, allerede har en høj grad af lidelse på grund af deres stærkt blandede natur, "Sagde Tracy." Som et resultat, de har mekaniske egenskaber, der er gode ved lave temperaturer og forbliver fantastiske ved høje temperaturer. "

I fremtiden, materialeforskere kan muligvis finjustere egenskaberne af højentropi-legeringer endnu mere ved at blande forskellige metaller og elementer sammen. "Der er en enorm del af det periodiske system og så mange permutationer, der skal undersøges, "Sagde Mao.