Ερευνητές ανακάλυψαν νέα μέθοδο για την ενίσχυση της ανθεκτικότητας και της αντοχής σε θραύση των κεραμικών. Η ομάδα, με επικεφαλής μηχανικούς από το Πανεπιστήμιο του San Diego στην California, δημιούργησε τα νέα υλικά εισάγοντας στα κεραμικά ένα συνδυασμό μετάλλων με μεγαλύτερο αριθμό ηλεκτρονίων σθένους.
Η σημαντική ανακάλυψη των ερευνητών μπορεί να οδηγήσει στην παραγωγή κεραμικών με υψηλότερα επίπεδα αντοχής στις καταπονήσεις από ό,τι ήταν προηγουμένως δυνατό. Τα κεραμικά διαθέτουν μια σειρά από εξαιρετικές ιδιότητες, συμπεριλαμβανομένης της ικανότητας τους να αντέχουν σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες, να αντιστέκονται στη διάβρωση και την επιφανειακή φθορά και όλα αυτά έχοντας γενικά χαμηλό βάρος.
Αυτές οι ιδιότητες καθιστούν τα κεραμικά κατάλληλα για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένων εξαρτημάτων αεροδιαστημικής, προστατευτικών επικαλύψεων για κινητήρες και εργαλείων κοπής. Ωστόσο, η εγγενής ευθραυστότητα τους συνεχίζει να προβληματίζει, καθώς τα καθιστά επιρρεπή σε θραύση όταν υποβάλλονται σε εξωτερικές δυνάμεις.
Ωστόσο, οι ερευνητές ανακάλυψαν μια λύση που θα μπορούσε να ενισχύσει την ανθεκτικότητα των κεραμικών, καθιστώντας τα λιγότερο επιρρεπή στη θραύση. Η σχετική μελέτη δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Science Advances. Η έρευνα, υπό την επίβλεψη του καθηγητή Kenneth Vecchio του τομέα Νανομηχανικής στο UC San Diego, επικεντρώνεται σε μια κατηγορία κεραμικών που αναφέρονται ως καρβίδια υψηλής εντροπίας (high-entropy carbides).
Αυτά τα κεραμικά έχουν ατομικές δομές που είναι εξαιρετικά διαταραγμένες και αποτελούνται από άτομα άνθρακα συνδεδεμένα με πολλαπλά μεταλλικά στοιχεία που προέρχονται από την τέταρτη, πέμπτη και έκτη στήλη του περιοδικού πίνακα. Παραδείγματα αυτών των μετάλλων αποτελούν το τιτάνιο, το νιόβιο και το βολφράμιο.
Οι ερευνητές εντόπισαν ότι ο κρίσιμος παράγοντας για την ενίσχυση της μηχανικής αντοχής των κεραμικών έγκειται στην ενσωμάτωση μετάλλων από την πέμπτη και την έκτη στήλη του περιοδικού πίνακα. Η επιλογή αυτών των μετάλλων οφείλεται στον μεγαλύτερο αριθμό ηλεκτρονίων σθένους, τα οποία βρίσκονται στην εξωτερική στοιβάδα ενός ατόμου και συμμετέχουν σε δεσμούς με άλλα άτομα. Μέσω της χρήσης μετάλλων με μεγαλύτερο αριθμό ηλεκτρονίων σθένους, οι ερευνητές ενίσχυσαν αποτελεσματικά την ικανότητα του υλικού να αντέχει στη θραύση όταν εκτίθεται σε μηχανικά φορτία και καταπονήσεις.
Αυτά τα επιπλέον ηλεκτρόνια είναι σημαντικά επειδή κάνουν το κεραμικό υλικό πιο όλκιμο, που σημαίνει ότι μπορεί να υποστεί περισσότερη παραμόρφωση πριν σπάσει, κατά παρόμοιο τρόπο όπως ένα μέταλλο
Kenneth Vecchio, Καθηγητής Νανομηχανικής, Πανεπιστήμιο San Diego
Για να αποκτήσουν μια πιο ολοκληρωμένη εικόνα αυτού του φαινομένου, η ομάδα του καθηγητή Vecchio συνεργάστηκε με τον καθηγητή Davide Sangiovanni, θεωρητικό φυσικό στο Πανεπιστήμιο Linköping στη Σουηδία. Ο Sangiovanni διεξήγαγε υπολογιστικές προσομοιώσεις ενώ η ομάδα του Vecchio χειριζόταν τις πειραματικές δοκιμές.
Η ερευνητική ομάδα διερεύνησε καρβίδια υψηλής εντροπίας που αποτελούνταν από διάφορους συνδυασμούς πέντε μεταλλικών στοιχείων. Κάθε συνδυασμός είχε ως αποτέλεσμα διαφορετική συγκέντρωση ηλεκτρονίων σθένους μέσα στο υλικό, προσφέροντας πολύτιμες γνώσεις για την επίδραση του αριθμού ηλεκτρονίων σθένους στην σκληρότητα του υλικού.
Οι ερευνητές εντόπισαν δύο καρβίδια υψηλής εντροπίας που εμφάνιζαν αξιοσημείωτη αντίσταση στη θραύση όταν υποβάλλονταν σε φορτία ή καταπόνηση, κυρίως λόγω των υψηλών συγκεντρώσεων ηλεκτρονίων σθένους. Μία από αυτές τις συνθέσεις περιελάμβανε τα μέταλλα βανάδιο, νιόβιο, ταντάλιο, μολυβδαίνιο και βολφράμιο, ενώ η άλλη παραλλαγή αντικατέστησε το νιόβιο με χρώμιο στο κράμα.
Κάτω από μηχανικά φορτία ή καταπόνηση, αυτά τα υλικά παρουσίασαν την ικανότητα να παραμορφώνονται, προσομοιώνοντας τη συμπεριφορά των μετάλλων παρά τη συνήθη εύθραυστη απόκριση που παρατηρείται στα κεραμικά. Όταν υποβλήθηκαν σε δυνάμεις διάτρησης ή έλξης, τα υλικά παρουσίασαν σπάσιμο των δεσμών, με αποτέλεσμα κενά στην ατομική τους δομή. Ωστόσο, τα πλεονάζοντα ηλεκτρόνια σθένους που περιβάλλουν τα άτομα του μετάλλου υποβλήθηκαν σε αναδιοργάνωση, γεφυρώνοντας αποτελεσματικά αυτά τα κενά και σχηματίζοντας νέους δεσμούς μεταξύ γειτονικών ατόμων μετάλλου. Αυτή η διαδικασία διατήρησε τη δομή του υλικού γύρω από τα κενά, εμποδίζοντας αποτελεσματικά την επέκταση και το σχηματισμό ρωγμών.
Ανακαλύψαμε ότι υπάρχει αυτός ο υποκείμενος μετασχηματισμός που συμβαίνει σε νανοκλίμακα, όπου οι δεσμοί αναδιατάσσονται και συγκρατούν τη δομή του υλικού. Αντί να παρουσιάζει σημαντική ζημιά πάνω στην επιφάνεια του, το υλικό ξεφτίζει αργά όπως ένα σχοινί όταν τραβιέται. Με αυτόν τον τρόπο, το υλικό μπορεί να αντέξει στην παραμόρφωση και να μην αστοχήσει με ψαθυρό τρόπο.
Kevin Kaufmann, συν-συγγραφέας μελέτης, Πανεπιστήμιο του San Diego
Η κύρια πρόκληση που υπάρχει στο μέλλον είναι η κλιμάκωση της παραγωγής αυτών των κεραμικών για εμπορική χρήση. Αυτή η εξέλιξη έχει τη δυνατότητα να φέρει επανάσταση στις τεχνολογίες που βασίζονται σε κεραμικά υλικά υψηλής απόδοσης, που εκτείνονται από εξαρτήματα αεροδιαστημικής έως βιοϊατρικά εμφυτεύματα.
Επιπλέον, η αυξημένη σκληρότητα αυτών των κεραμικών ανοίγει πόρτες σε ιδιαίτερα απαιτητικές εφαρμογές, όπως η χρήση τους ως αιχμές σε υπερηχητικά οχήματα. «Αυτά τα κεραμικά θα μπορούσαν να λειτουργήσουν ως άμυνα πρώτης γραμμής για τέτοια οχήματα, προστατεύοντας κρίσιμα εξαρτήματα από τις προσκρούσεις σωματιδίων κατά την πτήση, ενισχύοντας την ικανότητα τους να αντέχουν υπερηχητικές πτήσεις», εξηγεί ο καθηγητής Vecchio.
Με πληροφορίες από azom.com
