Сталь больше не эталон: ученые создали материал, который в десять раз прочнее металла

Инженеры из Университета Пердью создали наноламинат из интерметаллида кобальта и алюминия (CoAl), который в 6–10 раз превосходит по прочности высокопрочную конструкционную сталь, сохраняя при этом способность к пластической деформации. Работа предлагает метод преодоления традиционного компромисса между твердостью и хрупкостью материалов, однако результат получен для тонких пленок, а не для массивных деталей.

Проблема хрупкости интерметаллидов

Интерметаллиды — это соединения двух или более металлов с высокоупорядоченной кристаллической структурой. Такая организация атомов обеспечивает им высокую температуру плавления, прочность и устойчивость к ползучести (медленной деформации под длительной нагрузкой), что делает их востребованными для лопаток турбин авиационных двигателей и энергетических систем.

Однако строгий порядок атомов препятствует легкому сдвигу слоев внутри кристалла. В результате при комнатной температуре такие материалы, включая CoAl, становятся чрезмерно хрупкими: вместо того чтобы гнуться под нагрузкой, они мгновенно разрушаются. Это ограничивает их применение в деталях сложной формы и снижает надежность при внезапных механических ударах.

Метод создания наноструктуры

Чтобы изменить свойства CoAl, исследователи использовали метод магнетронного распыления. В отличие от традиционного литья из расплава, этот процесс позволяет формировать материал напрямую из паров сплава. Такой способ производства позволил авторам добиться двух условий:

• внедрить в структуру большое количество дислокаций (микроскопических нарушений геометрического порядка атомов);
• создать каркас аморфных интерфейсов (FAI) — тонких границ, где атомы расположены хаотично, без кристаллической структуры.

Дислокации в металлах обычно служат «путями» для изменения формы без разрыва связей, а аморфные границы выступают в роли гибких прослоек между жесткими кристаллическими слоями.

«Внедрение дислокаций и создание аморфных границ позволяют материалу поглощать энергию удара, не приводя к мгновенному растрескиванию, что характерно для обычных интерметаллидов», — отметил учёный-физик Дмитрий Лапшин.

Механизм пластичности и результаты

Для проверки свойств материала провели тесты на сжатие микростолбиков с одновременным наблюдением в сканирующем электронном микроскопе. Молекулярно-динамическое моделирование показало, что при нагрузке части аморфных интерфейсов кристаллизуются, что провоцирует появление новых дислокаций в соседних слоях CoAl. Таким образом, границы работают как активные источники пластической деформации.

Данные подтверждают, что материал выдерживает колоссальное давление перед началом необратимой деформации, но при этом способен существенно изменить форму, не разрушаясь.

Границы исследования и перспективы

Несмотря на высокие показатели, работа имеет существенное ограничение: полученный наноламинат представляет собой тонкую пленку, созданную методом осаждения из паров. Он не является полноценной объемной деталью. Для практического применения в авиастроении или энергетике необходимо перенести этот структурный принцип на массивные композиты, которые можно производить в промышленных масштабах.

Авторы планируют проверить применимость каркаса аморфных интерфейсов и для других типов интерметаллидов. Если метод окажется универсальным, это позволит создавать детали, которые одновременно обладают экстремальной прочностью и безопасной пластичностью. Подробности работы опубликованы в журнале Science Advances в первоисточнике исследования.