Hohlräume oder Poren werden im Allgemeinen als schwerwiegende Mängel angesehen, die die mechanische Leistung eines Materials erheblich beeinträchtigen und bei der Herstellung beseitigt werden sollten.
Ein Forscherteam unter der Leitung von Prof. Jin Haijun vom Institut für Metallforschung (IMR) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat jedoch vorgeschlagen, dass das Vorhandensein von Hohlräumen nicht immer gefährlich ist. Vielmehr können Hohlräume von Vorteil sein, wenn sie dem Material „richtig“ hinzugefügt werden.
Das Team wies nach, dass ein Metall mit einer großen Anzahl von Hohlräumen im Nanomaßstab eine verbesserte mechanische Leistung aufweist als Proben ohne Hohlräume.
Diese Arbeit wurde publiziert In Wissenschaft.
Das neue Material, das das Team entwickelt hat, trägt den Namen Nanovoid Dispersed Gold (NVD Au). Es enthält eine große Anzahl nanoskaliger Hohlräume, deren Größe von einigen Nanometern bis zu mehreren hundert Nanometern reicht. Diese Hohlräume sind gleichmäßig im gesamten Material verteilt. Bei der Herstellung von NVD Au wird ein Korrosionsprozess namens Entlegierung mit Kompressions- und Wärmeglühbehandlungen kombiniert.
Die Forscher fanden heraus, dass NVD Au im Vergleich zu vollständig dichtem Au eine verbesserte Festigkeit und Duktilität bei Zug aufweist. Mit anderen Worten: NVD Au mit verstreuten Nanohohlräumen kann höheren Belastungen standhalten und kann ohne Bruch über größere Längen gezogen werden.
Dies ist das genaue Gegenteil des Effekts, der bei Materialien mit großen Hohlräumen beobachtet wird, die durch Pulversintern oder additive Fertigung hergestellt werden. Die hervorragenden Eigenschaften von NVD Au werden auf verbesserte Versetzungs-Oberflächen-Wechselwirkungen und eine unterdrückte Rissbildung in dieser Struktur zurückgeführt.
„Wir haben gleichzeitig eine NVD-Verstärkung und eine Dichtereduzierung erreicht und so eine Gewichtsreduzierung realisiert“, sagte Jin. „Außerdem kommt es dabei zu keiner Veränderung der Zusammensetzung oder Phase, sodass die hervorragenden physikalischen/chemischen Eigenschaften des Grundmaterials weitgehend erhalten bleiben.“
Dieser Verstärkungsansatz kann für die Anwendung in vielen Bereichen erprobt werden, von tragbarer Elektronik bis hin zum Flugzeugbau.
Die Studie wurde in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Liaoning Academy of Materials und der Nanjing University of Science and Technology durchgeführt.
Mehr Informationen:
Jia-Ji Chen et al., Stärkung von Gold mit dispergierten Nanovoids, Wissenschaft (2024). DOI: 10.1126/science.abo7579. www.science.org/doi/10.1126/science.abo7579