Ingeniører skaber den mest slidstærke metallegering i verden

Hvis du nogensinde er så uheldig at have en bil med metaldæk, du kan overveje et sæt fremstillet af en ny legering konstrueret på Sandia National Laboratories. Du kunne skride - ikke køre, skride — rundt om Jordens ækvator 500 gange, før slidbanen er slidt op.

Sandias materialevidenskabsteam har konstrueret en platin-guldlegering, der menes at være det mest slidstærke metal i verden. Det er 100 gange mere holdbart end højstyrkestål, gør den til den første legering, eller kombination af metaller i samme klasse som diamant og safir, naturens mest slidstærke materialer. Sandias team rapporterede for nylig deres fund i Avancerede materialer . "Vi viste, at der er en grundlæggende ændring, du kan foretage i nogle legeringer, der vil give denne enorme stigning i ydeevnen over en lang række reelle, praktiske metaller, "sagde materialeforsker Nic Argibay, en forfatter på papiret.

Selvom metaller typisk betragtes som stærke, når de gentagne gange gnider mod andre metaller, som i en motor, de slides ned, deformeres og tæres, medmindre de har en beskyttende barriere, som tilsætningsstoffer i motorolie.

Inden for elektronik, bevægelige metal-til-metal kontakter modtager lignende beskyttelse med ydre lag af guld eller andre ædelmetallegeringer. Men disse belægninger er dyre. Og til sidst slides de op, også, som forbindelser trykker og glider hen over hinanden dag efter dag, år efter år, nogle gange millioner, endda milliarder af gange. Disse effekter forværres, jo mindre forbindelserne er, fordi jo mindre materiale du starter med, jo mindre slid en forbindelse kan udholde, før den ikke længere virker.

Med Sandias platin-guld belægning, kun et enkelt lag atomer ville gå tabt efter en kilometer skridning på de hypotetiske dæk. Den ultrahærdbare belægning kan spare elektronikindustrien mere end 100 millioner dollars om året i materialer alene, Argibay siger, og gøre elektronik i alle størrelser og på tværs af mange brancher mere omkostningseffektiv, langvarig og pålidelig-fra luftfartssystemer og vindmøller til mikroelektronik til mobiltelefoner og radarsystemer.

"Disse slidstærke materialer kan potentielt give pålidelighedsfordele for en række enheder, vi har undersøgt, "sagde Chris Nordquist, en Sandia -ingeniør, der ikke er involveret i undersøgelsen. "Mulighederne for integration og forbedring ville være enhedsspecifikke, men dette materiale ville give et andet værktøj til at håndtere de nuværende pålidelighedsbegrænsninger for metalmikroelektroniske komponenter. "

Nyt metal sætter en gammel teori til ro

Du undrer dig måske over, hvordan metallurger i tusinder af år på en eller anden måde savnede dette. I sandhed, kombinationen af ​​90 procent platin med 10 procent guld er slet ikke nyt.

Men konstruktionen er ny. Argibay og medforfatter Michael Chandross havde hovedet på designet og den nye 21. århundredes visdom bag. Konventionel visdom siger, at et metals evne til at modstå friktion er baseret på, hvor svært det er. Sandia -teamet foreslog en ny teori, der siger, at slid er relateret til, hvordan metaller reagerer på varme, ikke deres hårdhed, og de håndplukkede metaller, proportioner og en fabrikationsproces, der kunne bevise deres teori.

"Mange traditionelle legeringer blev udviklet for at øge et materiales styrke ved at reducere kornstørrelse, "sagde John Curry, en postdoktor ved Sandia og første forfatter på papiret. "Endnu stadig, i nærvær af ekstreme belastninger og temperaturer vil mange legeringer grove eller blødgøre, især under træthed. Vi så, at med vores platin-guldlegering er den mekaniske og termiske stabilitet fremragende, og vi så ikke meget ændring af mikrostrukturen over uhyre lange perioder med cyklisk stress under glidning. "

Nu har de bevis på, at de kan holde i deres hænder. Det ligner og føles som almindelig platin, sølvhvid og lidt tungere end rent guld. Mest vigtige, det er ikke sværere end andre platin-guldlegeringer, men det er meget bedre til at modstå varme og hundrede gange mere slidstærkt.

Teamets tilgang er en moderne, der var afhængig af beregningsværktøjer. Argibay og Chandross 'teori stammer fra simuleringer, der beregner, hvordan individuelle atomer påvirker et materiales store egenskaber, en forbindelse, der sjældent er åbenbar fra observationer alene. Forskere på mange videnskabelige områder bruger beregningsværktøjer til at tage meget af gætterierne ud af forskning og udvikling.

"Vi kommer ned til grundlæggende atomiske mekanismer og mikrostruktur og binder alle disse ting sammen for at forstå, hvorfor du får god ydeevne, eller hvorfor du får dårlig ydeevne, og derefter konstruere en legering, der giver dig god ydeevne, "Sagde Chandross.

En glat overraskelse

Stadig, der vil altid være overraskelser inden for videnskab. I en separat artikel offentliggjort i Kulstof , Sandia -teamet beskriver resultaterne af en bemærkelsesværdig ulykke. En dag, mens de måler slid på deres platin-guld, en uventet sort film begyndte at danne sig ovenpå. De genkendte det:diamantlignende kulstof, en af ​​verdens bedste menneskeskabte belægninger, glat som grafit og hård som diamant. Deres skabelse lavede sit eget smøremiddel, og en god til det.

Diamantlignende kulstof kræver normalt særlige betingelser for fremstilling, og alligevel syntetiserede legeringen det spontant.

"Vi mener, at stabiliteten og den iboende slidstyrke gør det muligt for kulstofholdige molekyler fra miljøet at klæbe og nedbrydes under glidning for i sidste ende at danne diamantlignende kulstof, "Sagde Curry." Industrien har andre metoder til at gøre dette, men de involverer typisk vakuumkamre med høje temperaturplasmaer af kulstofarter. Det kan blive meget dyrt. "

Fænomenet kunne udnyttes for yderligere at forbedre metalets allerede imponerende ydeevne, og det kan også potentielt føre til en enklere, mere omkostningseffektiv måde at masseproducere premium smøremiddel.