Ingenieurs van de Universiteit van Californië in San Diego hebben ontdekt hoe breuken in vaste oppervlakken kunnen worden tegengegaan, een bevinding die van bijzonder belang is voor de vliegtuigbouw- en elektronica-industrie.

De onderzoekers, onder leiding van hoogleraar materiaalkunde en techniek Julia Greer, ontdekten dat door het toevoegen van een secundair materiaal dat gemakkelijk aan het oppervlak van dunne films smelt, ze de vorming en verspreiding van scheuren konden voorkomen.

In een artikel gepubliceerd in het nummer van Nature Communications van 15 juni beschrijven Greer en haar collega's hoe het toevoegen van een ultradunne laag gallium aan goud goudoppervlakken veel breukbestendiger maakt.

“Dit gaat over het beheersen van materiaalfalen op de kleinste schaal”, zegt Greer, die tevens directeur is van het UC San Diego Materials Research Laboratory (MRL). “We gebruiken het smeltgedrag van gallium om de kiemvorming van scheuren te remmen, en omdat het een conforme laag is, werkt het in verschillende geometrieën en over een reeks scheurgroottes.”

In de meeste technische materialen beginnen scheuren bij defecten en groeien ze onder belasting totdat het materiaal breekt. Volgens Greer is dit conventionele beeld van breuken onvolledig. Ze suggereert dat scheuren niet alleen ontstaan ​​door defecten op grotere schaal, maar ook door kleinschalige oppervlakteruwheid.

“Traditioneel werd gedacht dat breuken op microschaal of groter plaatsvonden,” zei Greer. “Maar scheuren ontstaan ​​door processen op atomaire schaal. Wij houden rekening met deze processen, die normaal gesproken worden genegeerd.”

De onderzoekers testten hun hypothese met behulp van dunne goudfilms die op een glazen substraat waren afgezet. De films werden vervolgens onderworpen aan trekbelasting en het team observeerde het breukgedrag van de films met behulp van elektronenmicroscopie.

Ze ontdekten dat de goudfilms met de galliumlaag een aanzienlijk hogere breuktaaiheid vertoonden dan de puur goudfilms. De galliumlaag verhinderde de vorming van scheuren, zelfs wanneer de goudfilms aan hoge trekbelastingen werden blootgesteld.

De bevindingen van het team suggereren dat de breuktaaiheid van een materiaal aanzienlijk kan worden verbeterd door simpelweg een laag materiaal toe te voegen die smelt bij een lagere temperatuur dan het materiaal zelf. Deze aanpak zou kunnen worden gebruikt om de betrouwbaarheid en duurzaamheid van een breed scala aan materialen en structuren te verbeteren, van vliegtuigonderdelen tot elektronische apparaten.

“We hebben het over dunne coatings – minder dan een miljoenste van een meter – maar ze hebben een diepgaande invloed op het breukgedrag,” zei Greer. “Dit inzicht heeft implicaties voor de productie en het materiaalontwerp.”

Naast Greer bestond het onderzoeksteam uit MRL-afgestudeerde studenten Xiaoyue Ma en Qiang Yu. Het onderzoek werd ondersteund door de National Science Foundation en het Air Force Office of Scientific Research.

Vliegtuigproductie

De lucht- en ruimtevaartindustrie gebruikt momenteel klinknagels om metaalplaten in vliegtuigconstructies aan elkaar te bevestigen. Het gebruik van klinknagels zorgt echter voor spanningsconcentraties, die kunnen leiden tot scheuren en uiteindelijk falen. De toevoeging van een dunne laag gallium aan de oppervlakken van deze platen zou scheurvorming kunnen helpen tegengaan en de algehele veiligheid en betrouwbaarheid van vliegtuigconstructies kunnen verbeteren.

Elektronische apparaten

Elektronische apparaten zijn ook gevoelig voor scheuren, vooral op nanoschaal. Het gebruik van een galliumlaag zou kunnen helpen voorkomen dat er scheuren in deze apparaten ontstaan, waardoor hun betrouwbaarheid en prestaties worden verbeterd.

Conclusie

De ontdekking van Greer en haar team heeft belangrijke implicaties voor de lucht- en ruimtevaart- en elektronica-industrie, evenals voor andere industrieën die afhankelijk zijn van dunne films. Door een secundair materiaal toe te voegen dat gemakkelijk aan het oppervlak van dunne films smelt, kunnen ingenieurs de breuktaaiheid en betrouwbaarheid van deze materialen aanzienlijk verbeteren.