Denne artikkelen er produsert og finansiert av NTNU - les mer.
Aluminium er lett, men ikke veldig sterkt. Ofte må vi tilsette andre stoffer for å få de egenskapene vi ønsker oss. Da får vi legeringer.(Illustrasjonsfoto: Nattakit Jeerapatmaitree / Shutterstock / NTB)
Forskere går ned på atomnivå og lager sterkere aluminium
Det nye materialet kan være nyttig i motorer og til annen bruk på områder der deler blir varme.
I tusenvis av år har smarte folk blandet metaller for å lage nyttige materialer. Bronsealderen startet rundt 3.300 år f.Kr. Den ble, som navnet tilsier, definert av bruken av bronse.
Bronse er en blanding av kopper og tinn som er sterkere enn metallene hver for seg. Slike blandinger av metaller kaller vi legeringer.
Nå har forskere ved NTNU oppdaget en ny og overraskende metode for å lage en helt ny oppfinnelse. Det er legeringer av aluminium med ørsmå partikler av andre metaller i seg.
Den nye metoden gjør materialene enda sterkere og er overraskende fordi den går tvert imot intuisjonen.
Rent aluminium holder ikke
Aluminium er et vanlig metall å bruke for å lage deler innenfor luft- og romfart, annen transport og byggeindustrien. Dette er delvis fordi metallet er både lett og hardført.
Legeringer av aluminium beholder disse gode egenskapene, men er enda sterkere enn aluminium uten tilsetninger.
– Om vi brukte rent aluminium, ville det så klart ikke vært sterkt nok, sier Yanjun Li. Han er professor i fysikalsk metallurgi ved Institutt for materialteknologi på NTNU.
De siste årene har forskere støtt på problemer når de har prøvd å lage legeringer med aluminium som er forsterket med kobberatomer.
– Legeringer av aluminium er sterkere enn aluminium uten tilsetninger. Samtidig beholder de de gode egenskapene ved materialet, sier Yanjun Li.(Foto: NTNU)
Kobberatomer klumper seg
Disse kobberatomene har nemlig en tendens til å klumpe seg sammen istedenfor å fordele seg i hele materialet. Da lager de store partikler av kobber og aluminium i materialet isteden, og vi får ikke de egenskapene vi ønsker oss. Materialet blir svakere. Dette gjelder spesielt ved temperaturer over 100 grader.
Kobberatomene kan bevege seg i materialet om det finnes ledige hulrom i det som ikke allerede er tatt opp av andre atomer. Forskere har derfor prøvd å redusere antallet hulrom i aluminiumen for å begrense muligheten kobberatomene har for å bevege seg.
– Om det ikke finnes hulrom, kan atomene så klart ikke bevege seg, sier Li.
Men nå har Li og kollegaene tvert imot funnet en måte for å øke antallet hulrom i materialet istedenfor å redusere dem. Samtidig har de økt styrken på legeringen.
Legeringer av aluminium brukes blant annet innenfor luftfart, romfart og annen transport fordi materialene kombinerer styrke med lav vekt.(Illustrasjonsfoto: Wichai Wongjongjaihan / Shutterstock / NTB)
Nye strukturer gjør legeringen med aluminium sterkere
I tillegg til kobberatomer tilsatte forskerne atomer av grunnstoffet scandium til aluminiumet. Dette økte altså antallet hulrom i materialet.
Men scandium- og kobberatomene, sammen med hulrommene, dannet strukturer sammen som ikke så lett greide å bevege seg i materialet.
– Sammen er disse strukturene svært stabile, sier Li. Det blir vanskeligere for dem å bevege seg.
Annonse
Takket være de nye strukturene av scandium og kobber dannet ikke partiklene av kobber og aluminium seg i det hele tatt. Det ble ingen slike klumper i materialet. Dette gjaldt selv når den nye legeringen ble utsatt for 200 grader i 24 timer.
Denne stabiliteten betyr at kobberatomene forblir jevnt fordelt gjennom hele materialet. I tillegg bevarer legeringen styrken.
(Venstre.) Alene kan kobberatomene lett bevege seg gjennom materialet ved å bytte posisjon med hulrommene i materialet. (Midten) Som en konsekvens av dette klumper kobberet seg lett og former store klumper sammen med aluminium. (Høyre.) Kombinert med både scandiumatomer og hulrommene lager kobberet mer stabile strukturer.(Illustrasjon: Yanjun Li / NTNU)
Brukte avansert teknologi kalt APT
Forskerne observerte de nye strukturene ved hjelp at såkalt «atom probe tomography» eller APT. Dette er en teknikk som gjør det mulig å se hva som skjer på atomnivå i et materiale.
Forsker Hanne Søreide lagde svært tynne nåler av det nye materialet på bare 50 nanometer i diameter. 50 nanometer tilsvarer 0,00005 millimeter.
Deretter brukte hun APT for å fordampe ett og ett atom fra tuppen av disse nålene. En detektor skaffet informasjon om disse atomene.
– Ulike atomer flyr raskere eller saktere, sier professor Li.
Ved hjelp av denne informasjonen kunne forskerne rekonstruere et bilde av hvor hvert enkelt atom opprinnelig hadde befunnet seg i materialet. De så at atomer fra de to ulike tilsetningene knyttet seg sammen inne i aluminiumet.
– De binder seg sammen. Dette kan vi registrere med kobber og aluminium, sier Li.
Har allerede laget en sterkere legering
Li sier forskerne allerede har brukt disse funnene til å lage en ny type aluminiumslegering. Den er 50 prosent sterkere enn legeringer med den samme mengden kobber som i dag er tilgjengelig kommersielt.
– Dette er ikke en enkel oppgave for aluminium, sier han.
Annonse
Materialene Li og kollegaene har laget i laboratoriet, er ennå langt fra tilgjengelige for bruk i industrien. Men materialer som bevarer styrken ved høye temperaturer, er nyttige i motorer og til annen bruk på områder der deler blir varme.
Norges forskningsråd støtter Geminisenteret Norwegian Laboratory for Mineral and Materials Characterisation, MiMaC, NorTem, samt NTNU NanoLab gjennom NorFab.
