Die Bildung von Scherbändern ist in einem Material normalerweise kein gutes Zeichen – die Bänder treten oft auf, bevor ein Material bricht oder versagt. Forscher der Material- und Ingenieurwissenschaften der University of Wisconsin-Madison haben jedoch herausgefunden, dass Scherbänder nicht immer negativ sind; Unter den richtigen Bedingungen können sie die Duktilität oder Plastizität eines Materials verbessern.
Unter der Leitung von Izabela Szlufarska, Professorin für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der UW-Madison, veröffentlichten die Forscher Einzelheiten ihrer Arbeit in der Zeitschrift Naturmaterialien.
Mithilfe einer Kombination aus experimenteller Charakterisierung und Simulationen identifizierte das Team mögliche Strategien zur Förderung von Scherbändern. Dies könnte zu neuen Möglichkeiten führen, die Zähigkeit einer Vielzahl von Materialien zu erhöhen.
„In einem vorheriges Papier„Wir haben gezeigt, dass Scherbänder in einem Material namens Samariumkobalt tatsächlich von Vorteil sein könnten“, sagt Szlufarska. „Das führte zu der Frage: „Wann bilden sich Scherbänder?“ und „Wann unterstützen sie Plastizität gegenüber Bruch? Wann möchten Sie sie vermeiden und wann möchten Sie sie fördern?“
In Materialien mit kristalliner Struktur, wie Metallen und Keramiken, wird die Plastizität durch kleine strukturelle Unregelmäßigkeiten innerhalb des Kristallgitters, sogenannte Versetzungen, bestimmt. Diese Versetzungen können sich durch das Gitter bewegen und für eine gewisse Nachgiebigkeit sorgen, die es Materialien wie Metallen ermöglicht, sich zu biegen, ohne die Bindungen in ihrer starren Struktur aufzubrechen. Je stärker diese Versetzungen jedoch fixiert werden, sei es durch Härtungstechniken oder durch natürliche Strukturschwankungen, desto spröder wird ein Material.
Aus diesem Grund waren Szlufarska und ihr Team überrascht, als sie herausfanden, dass in Samariumkobalt, einem spröden intermetallischen Material, das zur Herstellung starker Magnete verwendet wird, amorphe oder unstrukturierte Scherbänder die Plastizität des Materials erhöhten und kein Anzeichen für ein Versagen waren. Stattdessen fungierten diese Bereiche als Schmiermittel und ermöglichten es den Atomebenen, übereinander zu gleiten, ohne dass ein Bruch entstand.
Das Team stellte die Hypothese auf, dass sich diese Art vorteilhafter Scherbänder in Materialien bilden kann, die leicht zwischen kristallinen und amorphen Phasen übergehen. Um dies zu testen, untersuchten sie Aluminiumsamarium, ein glasartiges Material, das von Szlufarska und ihren Kollegen am Materials Research Science and Education Center der UW-Madison eingehend untersucht wurde. Mithilfe von Simulationen auf atomarer Ebene sagte Szlufarskas Gruppe voraus, dass die kristalline Form dieses Materials unter Spannung auch Scherbänder bilden sollte. Sie bestätigten nicht nur den Befund im Labor, sondern variierten auch die atomare Zusammensetzung des Aluminiumsamariums und stellten Versionen her, bei denen Scherbänder entweder zum Bruch oder zur Plastizität führten.
Dieses Verständnis veranlasste das Team dazu, Kriterien für das Screening neuer Materialien vorzuschlagen, die ähnliche Eigenschaften aufweisen könnten, und für die Identifizierung, wann Scherbänder von Vorteil sind. Die Hoffnung besteht darin, dass diese Parameter es ermöglichen, Datenbanken zu durchsuchen, um Materialien zu identifizieren, die von einer Dotierung oder einer Technik zur Förderung der Scherbandbildung profitieren könnten.
„Eine Erhöhung der Zähigkeit, also der Menge an Energie oder Spannung, die ein Material aushalten kann, bevor es bricht, um das Zwei-, Drei- oder Vierfache, könnte wirklich wirkungsvoll sein“, sagt Szlufarska. „In dieser Arbeit haben wir unsere Erkenntnisse auf eine neue Materialklasse ausgeweitet. Aber das ist noch nicht das Ende.“
Das Team beabsichtigt, traditionelle Strukturmaterialien wie Oxide, Karbide und Boride zu testen, um herauszufinden, wie sie optimiert werden können.
„Wir verstehen so viel mehr darüber, wie das passiert und worauf wir achten müssen“, sagt Szlufarska. „Ich denke, wir haben den Schlüssel zum Design dieser Materialien identifiziert und wollen sie nun in andere Klassen einbringen.“
Szlufarska hat auch verwandte Forschungsergebnisse in der Zeitschrift veröffentlicht npj 2D-Materialien und Anwendungen
Mehr Informationen:
Jun Young Kim et al., Experimentelle und theoretische Studien zu nativen Tiefendefekten in Übergangsmetalldichalkogeniden, npj 2D-Materialien und Anwendungen (2022). DOI: 10.1038/s41699-022-00350-4