Elektronrika metaller gör keramer svårspruckna

Elektronrika metaller

Forskare har upptäckt ett sätt att göra keramer hårdare och mer motståndskraftiga mot sprickbildning. Genom att bygga dessa material med en blandning av metallatomer som har fler elektroner i sitt yttre skal, har ett team lett av ingenjörer vid University of California San Diego öppnat upp för möjligheten att göra det möjligt för keramer att hantera högre nivåer av kraft och stress än tidigare.

Keramik har många fördelar tack vare sina anmärkningsvärda egenskaper, inklusive förmågan att motstå extremt höga temperaturer, motstå korrosion och ytförslitning samt bibehålla lätta profiler. Dessa egenskaper gör dem lämpliga för en mängd olika tillämpningar, t.ex. komponenter för flygindustrin och skyddsbeläggningar för motorer och skärverktyg. Deras svaghet har dock alltid varit att de är spröda. De går lätt sönder vid belastning.

Men nu har forskare hittat en lösning som kan göra keramer svårare att bryta sönder. De publicerade nyligen sitt arbete i Science Advances.

Studien, som leds av Kenneth Vecchio, professor i nanoteknik vid UC San Diego, fokuserar på en klass av keramer som kallas karbider med hög entropi. Dessa material har mycket oordnade atomstrukturer som består av kolatomer bundna till flera metallelement från den fjärde, femte och sjätte kolumnen i det periodiska systemet.

Till dessa metaller hör till exempel titan, niob och volfram. Forskarna fann att nyckeln till att förbättra keramikens seghet låg i användningen av metaller från den femte och sjätte kolumnen i det periodiska systemet, på grund av deras högre antal valenselektroner.
Simuleringar som jämför reaktionerna under pålagd stress hos keramik med olika koncentrationer av valenselektroner. Kredit: UC San Diego Jacobs School of Engineering

Valenselektroner – de som finns i en atoms yttersta skal och som används för att binda till andra atomer – visade sig vara en avgörande faktor. Genom att använda metaller med ett högre antal valenselektroner lyckades forskarna förbättra materialets motståndskraft mot sprickbildning när det utsätts för mekanisk belastning och stress.

”De extra elektronerna är viktiga eftersom de effektivt gör det keramiska materialet mer duktilt, vilket innebär att det kan genomgå mer deformation innan det går sönder, på samma sätt som en metall”, säger Vecchio.

För att bättre förstå denna effekt samarbetade Vecchios grupp med Davide Sangiovanni, professor i teoretisk fysik vid Linköpings universitet i Sverige. Sangiovanni utförde beräkningssimuleringarna, och Vecchios team tillverkade och testade materialen experimentellt.

Teamet undersökte karbider med hög entropi som innehöll olika kombinationer av fem metallelement. Varje kombination gav en annan koncentration av valenselektroner i materialet.

De identifierade två karbider med hög entropi som uppvisade exceptionell motståndskraft mot sprickbildning under belastning eller stress, tack vare sina höga koncentrationer av valenselektroner. Den ena bestod av metallerna vanadin, niob, tantal, molybden och volfram. I den andra varianten ersattes niob med krom i blandningen.

Under mekanisk belastning eller stress kunde dessa material deformeras respektive töjas, vilket liknar metallers beteende snarare än keramikers typiska spröda respons. När dessa material punkterades eller drogs isär började bindningarna brytas och bildade öppningar i atomstorlek.

De extra valenselektronerna runt metallatomerna omorganiserades sedan för att överbrygga dessa öppningar och bilda nya bindningar mellan närliggande metallatomer. Denna mekanism bevarade materialets struktur runt öppningarna och hindrade dem effektivt från att växa sig större och bilda sprickor.

”Vi upptäckte att det sker en underliggande omvandling på nanoskalan där bindningarna omorganiseras för att hålla ihop materialet”, säger Kevin Kaufmann, medförfattare till studien och doktorand i nanoteknik vid UC San Diego och verksam vid Vecchios laboratorium. ”Istället för att bara klyva rakt över brottytan, fransar materialet långsamt upp sig som ett rep skulle göra när det dras. På så sätt kan materialet hantera den deformation som sker och inte gå sönder på ett sprött sätt.”

Utmaningen ligger nu i att skala upp produktionen av dessa tuffa keramer för kommersiella tillämpningar. Det skulle kunna bidra till att förändra teknik som är beroende av högpresterande keramiska material, från flyg- och rymdkomponenter till biomedicinska implantat.

Den nyfunna segheten hos dessa keramer banar också väg för deras användning i extrema tillämpningar, t.ex. framkanten på hypersoniska fordon. Hårdare keramer kan fungera som frontlinjeförsvar för dessa farkoster, skydda viktiga komponenter från att träffas av skräp och göra det möjligt för farkosterna att bättre överleva överljudsflygningar, förklarar Vecchio.

”Genom att ta itu med en långvarig begränsning av keramer kan vi kraftigt utöka deras användning och skapa nästa generations material som har potential att revolutionera vårt samhälle”, säger Vecchio.

Ytterligare information: Davide G. Sangiovanni et al, Valence electron concentration as key parameter to control the fracture resistance of refractory high-entropy carbides, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adi2960

Bli först med att kommentera

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte att publiceras.