Китайские ученые-материаловеды нашли способ использовать дефекты в металлических сплавах для увеличения их прочности. Они разработали чистое золото с наноразмерными отверстиями, расположенными равномерно по всему объему металла. Благодаря этой технологии удалось снизить вес материала, повысить его прочность и пластичность, что открывает новые перспективы для использования такого золота.
Для повышения прочности металла существует множество подходов. Возможно создание жаропрочных, коррозионностойких или магнитных сплавов путем смешивания различных компонентов. Существуют также методы химической обработки, такие как азотирование, которые повышают прочность металла. Разнообразные технологии закалки и другие аналогичные процессы также широко используются.
В настоящее время в промышленности наблюдается увеличение потребности в легких и прочных металлах, что обусловлено стремлением производителей к энергосбережению и экологичности. Использование более легких металлов позволяет уменьшить вес деталей, например алюминия, но материаловеды ищут возможности сделать наоборот — создать заготовки с пустотами, не потеряв при этом в качестве. Но тут возникает проблема, ведь пустоты — это дефект, который порождает трещины и в целом делает металл хрупким.
На днях в журнале Science группа исследователей из Китая опубликовала статью, где рассказала о новом методе упрочнения золота при помощи отверстий. Специалисты приготовили чистое золото с равномерно распространенными в нем нанопустотами — они образовались после удаления серебряных включений из сплава с помощью коррозии.
Размеры этих пор составляли приблизительно 30 нанометров, и для предотвращения ослабления металла ученые подвергали образцы сжатию и нагреву при температуре 424,85 °C. Для формирования закрытой пористой структуры требовалось спрессовать металл до определенной плотности. В результате обработки значительное количество пустот трансформировались в сферы с наименьшим диаметром 18 нанометров.
Для изучения влияния изменений в механических свойствах золота, ученые-материаловеды провели испытания на растяжение небольших образцов, содержащих отверстия различного размера (от 18 до 180 нанометров в диаметре). В ходе исследований было установлено, что прочность золота с перфорациями увеличивается при уменьшении среднего размера пор, однако все образцы продемонстрировали лучшие показатели по сравнению с необработанным золотом. Предел текучести пористого металла оказался почти в 1,07 раза выше, а удельная прочность увеличилась на 118% при создании 5% пустот.
По мнению ученых, образцы с наиболее крупными порами также продемонстрировали значительную пластичность и увеличение прочности. Ключевое отличие разработанной технологии от традиционных пористых металлов заключается в равномерном распределении отверстий в золоте, что позволяет снизить концентрацию напряжения в отдельных зонах. Для повышения прочности металла рекомендуется уменьшать размер пор, поскольку это также ведет к сокращению областей с высоким напряжением при нагрузке. Оптимальный размер пор находится в диапазоне 101-102 нанометра – при таком диаметре прочность увеличивается без ущерба для пластичности.
Новинку можно с научной точки зрения определить как компонент с нулевой массой. Наличие отверстий способно снизить вес металла на 10%, одновременно повышая его физические свойства. Перфорированное золото смогут использовать в электронике для обработки контактов, однако исследователи намерены проверить работоспособность метода с медью, которая чаще, чем золото, применяется в подобных устройствах.