Entwicklung von Metallen der nächsten Generation, Atom für Atom

Wie kann die Untersuchung der Metallherstellung zu langlebigeren Batterien und leichteren Fahrzeugen führen? Es kommt alles auf die Physik an.

Forscher des Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) untersuchen die Auswirkungen physikalischer Kräfte auf Metalle, indem sie einen direkten Blick auf Änderungen auf atomarer Ebene in Metallen werfen, die einer Scherverformung unterliegen.

Die während der Scherverformung ausgeübten Kräfte zur Änderung der Form eines Metalls ordnen auch seine Atome neu an, jedoch nicht für jedes Metall oder jede Legierung auf die gleiche Weise. Die Atomanordnung kann Metalleigenschaften wie Festigkeit, Formbarkeit und Leitfähigkeit beeinflussen – daher ist ein besseres Verständnis, wie sich Atome während der Scherung bewegen, ein wesentlicher Bestandteil der laufenden Bemühungen, Metalle der nächsten Generation mit spezifischen Eigenschaften vom Atom aufwärts zu entwickeln.

Diese Visualisierungen bilden die Grundlage für das Verständnis, wie die Scherverformung die verbesserten Eigenschaften erzeugt, die bei Metallen beobachtet werden, die mit Shear Assisted Processing and Extrusion (ShAPE), einer PNNL-Innovation in der Metallherstellung, hergestellt werden. Bei der Herstellung von ShAPE werden Metalle unter Anwendung von Scherkräften verarbeitet, um Hochleistungs-Metalllegierungen für den Einsatz in Fahrzeugen und anderen Anwendungen herzustellen.

„Wenn wir verstehen, was mit Metallen während der Scherverformung auf atomarer Ebene passiert, können wir dieses Wissen nutzen, um unzählige andere Anwendungen zu verbessern, bei denen Metalle denselben Kräften ausgesetzt sind – von der Verbesserung der Batterielebensdauer bis hin zur Entwicklung von Metallen mit spezifischen Eigenschaften, wie leichteren, stärkeren Legierungen für effizientere Fahrzeuge“, sagte Chongmin Wang, PNNL Laboratory Fellow und Leiter des Forschungsteams, das die Kräfte der induzierten Scherverformung untersucht.

Atomare Geheimnisse

Physikalische Kräfte sind universell. Die Kräfte, die während der Metallherstellung gezielt angewendet werden, um Legierungen zu erzeugen, sind die gleichen Kräfte, die Strukturen innerhalb von Batterien beschädigen können, um schließlich einen Ausfall zu verursachen. Forscher wissen auch, dass die Scherverformung die Mikrostruktur von Metallen auf eine Weise grundlegend verändern kann, die das Material tatsächlich verbessern kann – Metalle stärker, leichter und flexibler machen. Aber wie das passiert, ist noch ein Rätsel.

„Wenn Sie ein Bild von einem Läufer am Start und am Ende seines Laufs machen würden, könnten Sie denken, dass er sich überhaupt nicht bewegt hat“, erklärte Arun Devaraj, Materialwissenschaftler bei PNNL. „Aber wenn Sie den Läufer filmen, während er um die Strecke fährt, wissen Sie, wie weit er gefahren ist. Hier ist es dasselbe. Wenn wir genau verstehen, was auf atomarer Ebene während der Scherverformung mit Metallen passiert, könnten wir das anwenden.“ Wissen strategisch, um Materialien mit spezifischen Eigenschaften zu entwerfen.“

Der Goldstandard

Um zu beobachten, wie die Scherverformung Metallatome neu anordnet, verwendeten die Forscher eine spezielle Sonde in einem Transmissionselektronenmikroskop am PNNL, das zu nur einer Handvoll Labors mit dieser Fähigkeit weltweit gehört. Mit dem Mikroskop zeichnete das Forscherteam auf, wie sich einzelne Atomreihen innerhalb von Metallen während der Scherverformung bewegten. Sie begannen mit der Betrachtung von Gold – dem Standard, weil es auf atomarer Ebene am einfachsten zu visualisieren ist.

Als Forscher beobachteten, wie Gold einer Scherung unterzogen wurde, sahen sie, dass Goldkristalle in kleinere Körner aufgeteilt wurden. Sie bemerkten, dass natürliche Defekte in der Anordnung von Goldatomen die Art und Weise veränderten, wie die Scherverformung die Atome bewegte. Dies ist eine nützliche Information, da Defekte bei Metallen während der Verformung üblich sind, sich aber nicht bei allen Metallen gleich verhalten – was sich direkt auf die Metalleigenschaften auswirken kann.

„Die Defekte in Kristall, Korngröße und Mikrostruktur in einem Metall können die Eigenschaften des Metalls wie Festigkeit und Zähigkeit beeinflussen. Deshalb ist es wichtig zu verstehen, wie die Scherverformung Metallatome bewegt und die Gesamtmikrostruktur des Metalls beeinflusst“, sagte Shuang Li , PNNL-Postdoc und Erstautor von drei Studien, die diese Ergebnisse teilen.

Als nächstes betrachtete das Forschungsteam Kupfer. Sie beobachteten, wie durch Scherverformung Nanozwillinge entstehen – Strukturmerkmale, die Metalle stärker machen. Bei der Beobachtung einer Legierung aus Kupfer und Niob fanden sie heraus, dass die Scherverformung Atome innerhalb der Kupfer- und Niobphasen der Metallmischung unterschiedlich beeinflusst. Dies ist eine wertvolle Erkenntnis, die Aufschluss darüber geben kann, wie Legierungen mit spezifischen Eigenschaften durch Scherverformung hergestellt werden können.

Die Erkenntnisse aus der Untersuchung, wie diese Kräfte während kontrollierter Herstellungsprozesse auf Metalle wirken, können direkt übersetzt und überall dort angewendet werden, wo Metall den gleichen physikalischen Kräften ausgesetzt ist. Beispielsweise ist die Visualisierungsfähigkeit auf atomarer Ebene bei PNNL auch nützlich, um zu verstehen, wie Materialien, die unter extremen Bedingungen (z. B. Kernreaktoren) oder sauberen Energieanwendungen (z. B. Wasserstoffübertragungsleitungen und Speichertanks) verwendet werden, auf äußere Belastungen reagieren. Langlebigere Batterien, leichtere Legierungen für effizientere Fahrzeuge und kundenspezifisches Design von Metallen der nächsten Generation mit verbesserter Festigkeit und Leitfähigkeit könnten durch ein besseres Verständnis der Atomphysik der Metallherstellung möglich werden.

Diese Studien erscheinen in drei Forschungspublikationen: In-situ-TEM-Beobachtung der scherinduzierten Mikrostrukturentwicklung in einer Cu-Nb-Legierung im Tagebuch Scripta Materialia, Nanotwin unterstützte die reversible Bildung von Korngrenzen mit kleinem Winkel bei hin- und hergehender Scherbelastung im Tagebuch Acta Materialia, und In-situ-Beobachtung der mit Deformationszwillingen assoziierten Subkorngrenzenbildung in Kupfer-Einkristallen unter Biegung in Materialforschungsbriefe.