Материаловеды из Китая превратили обычный дефект в металлических сплавах в компонент, повышающий его прочность. Специалисты создали чистое золото с наноразмерными отверстиями, равномерно распределенными по металлу. Новый метод облегчил материал, сделал его прочнее и пластичнее, что может расширить возможности применения такого золота.
Существует множество способов сделать металл прочнее. Можно смешать различные компоненты для жаропрочного, устойчивого к коррозии или магнитного сплава. Есть методы химической обработки, которые упрочняют металл, например азотирование. Давно известны разнообразные технологии закалки и тому подобное.
Сейчас в промышленности растет спрос на легкие и прочные металлы, поскольку производители стремятся к энергоэффективности и экологичности. Снизить вес деталей можно при помощи более легких металлов в составе, 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.
Размер этих пор составлял около 30 нанометров, и чтобы они не ослабили металл, ученые сжимали и нагревали исследуемые образцы при температуре 424,85 °C. Необходимо было спрессовать металл до критической плотности, чтобы пористая структура стала закрытой. После обработки многие пустоты превратились в сферы с минимальным диаметров 18 нанометров.
Чтобы проверить, как изменились механические характеристики золота, материаловеды взяли маленькие образцы с разноразмерными отверстиями (18-180 нанометров в диаметре) и растянули. Выяснилось, что прочность перфорированного золота росла, если средний размер пор был меньше, но при этом все образцы показали себя лучше, чем необработанное золото. Предел текучести пористого металла был почти на 107% выше, а отношение прочности к весу выросло на 118% при добавлении 5% пустот.
Как отмечают исследователи, некоторые образцы с особенно большими порами показали и высокую пластичность вместе с ростом прочности. Основное отличие новой технологии от обычных пористых металлов в том, что отверстия в исследуемом золоте распределены равномерно, что минимизирует концентрацию напряжения в одном месте. И для лучшего укрепления металла поры стоит делать меньше, потому что вместе с ними уменьшаются и области высокого напряжения при нагрузке. Предел находится в районе 101-102 нанометров — прочность при таком диаметре растет без потери пластичности.
Новый подход более научно можно назвать компонентом с нулевой массой. Отверстия могут облегчить металл на 10%, при этом улучшая его физические характеристики. Перфорированное золото можно будет применять в электронике для обработки контактов, но исследователи планируют испытать метод с медью, которая чаще золота используется в таких устройствах.