Onderzoekers hebben aangetoond hoe ze een supersterke aluminiumlegering kunnen maken die de sterkte van roestvrij staal evenaart. een vooruitgang met potentiële industriële toepassingen.

"De meeste lichtgewicht aluminiumlegeringen zijn zacht en hebben een inherent lage mechanische sterkte, die een meer wijdverbreide industriële toepassing belemmert, " zei Xinghang Zhang, een professor aan de School of Materials Engineering van de Purdue University. "Echter, Grote sterkte, lichtgewicht aluminiumlegeringen met een sterkte vergelijkbaar met roestvrij staal zouden een revolutie teweegbrengen in de auto- en ruimtevaartindustrie."

Nieuw onderzoek laat zien hoe de microstructuur van aluminium kan worden gewijzigd om meer sterkte en taaiheid te geven. De bevindingen werden gedetailleerd beschreven in twee nieuwe onderzoekspapers. Het werk werd geleid door een team van onderzoekers, waaronder Purdue, postdoctoraal onderzoeksmedewerker Sichuang Xue en promovendus Qiang Li.

Het meest recente artikel is op 22 januari online gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde materialen . Het eerdere artikel werd in november gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Het nieuwe hoogwaardige aluminium wordt mogelijk gemaakt door de introductie van "stapelfouten, " of vervormingen in de kristalstructuur. Hoewel deze gemakkelijk te produceren zijn in metalen zoals koper en zilver, ze zijn moeilijk te introduceren in aluminium vanwege de hoge "stapelfoutenergie".

Het kristalrooster van een metaal bestaat uit een zich herhalende reeks atomaire lagen. Als er een laag ontbreekt, er is sprake van een stapelfout. In de tussentijd, zogenaamde "tweelinggrenzen" bestaande uit twee lagen stapelfouten kunnen ontstaan. Een type stapelfout, een 9R-fase genoemd, is bijzonder veelbelovend, zei Zhang.

"Het is aangetoond dat het moeilijk is om dubbele begrenzingen in aluminium te introduceren. De vorming van de 9R-fase in aluminium is nog moeilijker vanwege de hoge stapelfoutenergie, " Zei Zhang. "U wilt zowel nanotwins als 9R-fase in aluminium met nanokorrels introduceren om de sterkte en ductiliteit te vergroten en de thermische stabiliteit te verbeteren."

Nutsvoorzieningen, onderzoekers hebben geleerd hoe ze deze 9R-fase en nanotwins in aluminium gemakkelijk kunnen bereiken.

"Deze resultaten laten zien hoe aluminiumlegeringen gemaakt kunnen worden die vergelijkbaar zijn met, of zelfs sterker dan roestvrij staal, " zei hij. "Er is veel potentiële commerciële impact in deze bevinding."

Xue is hoofdauteur van de Natuurcommunicatie papier, die de eerste is die een "schok-geïnduceerde" 9R-fase in aluminium meldt. Onderzoekers bestookten ultradunne aluminiumfilms met kleine microprojectielen van siliciumdioxide, waardoor de 9R-fase wordt verkregen.

"Hier, door een laser-geïnduceerde projectielimpacttesttechniek te gebruiken, we ontdekken een door vervorming geïnduceerde 9R-fase met een breedte van tientallen nanometers, ' zei Xue.

De microprojectieltests werden uitgevoerd door een onderzoeksgroep aan de Rice University, onder leiding van professor Edwin L. Thomas, een co-auteur van de Nature Communications paper. Een laserstraal zorgt ervoor dat de deeltjes worden uitgestoten met een snelheid van 600 meter per seconde. De procedure versnelt de screeningtests van verschillende legeringen voor slagvaste toepassingen aanzienlijk.

"Stel dat ik in korte tijd veel materialen wil screenen, "Zei Zhang. "Deze methode stelt ons in staat om dat te doen tegen veel lagere kosten dan anders mogelijk zou zijn."

Li is hoofdauteur van het Advanced Materials paper, waarin wordt beschreven hoe een 9R-fase in aluminium kan worden opgewekt, niet door schokken, maar door ijzeratomen in de kristalstructuur van aluminium te introduceren via een procedure die magnetronsputteren wordt genoemd. IJzer kan ook met andere technieken in aluminium worden ingebracht, zoals gieten, en de nieuwe bevinding kan mogelijk worden opgeschaald voor industriële toepassingen.

De resulterende "nano-gewonnen" coatings van aluminium-ijzerlegeringen bleken een van de sterkste aluminiumlegeringen te zijn die ooit zijn gemaakt, vergelijkbaar met hogesterktestaalsoorten.

"Moleculaire dynamische simulaties, uitgevoerd door de groep van professor Jian Wang aan de Universiteit van Nebraska, Lincoln, toonde aan dat de 9R-fase en nanokorrels resulteren in een hoge sterkte en werkhardend vermogen en onthulde de vormingsmechanismen van de 9R-fase in aluminium, " zei Zhang. "Het begrijpen van nieuwe vervormingsmechanismen zal ons helpen bij het ontwerpen van nieuwe hoge sterkte, kneedbare metaalmaterialen, zoals aluminiumlegeringen."

Een mogelijke toepassing is het ontwerpen van slijtvaste en corrosiebestendige coatings van aluminiumlegeringen voor de elektronica- en auto-industrie.