В Корее разработан новый суперметалл на основе никеля, который сохраняет прочность и гибкость в диапазоне температур до 800 °C.
Группа исследователей из Похангского университета науки и технологий Республики Корея (POSTECH) назвала свой высокоэнтропийный сплав (ВЭС) первым из «гиперадаптеров».
«Наш ВЭС преодолевает ограничения существующих сплавов и создаёт новый класс материалов, нечувствительных к температуре», — говорит соавтор, профессор Хён Сеоп Ким. «Концепция гиперадаптера представляет собой прорыв в разработке материалов следующего поколения с последовательным механическим поведением даже в экстремальных условиях».
Сплавы обычно содержат более одного элемента. Самый известный пример — сталь, которая состоит как минимум из 98% железа и содержит около 0,1–0,2% углерода, а также различные вариации, такие как нержавеющая сталь с хромом для повышения устойчивости к коррозии. Бронза содержит 88–95% меди и 5–12% олова, и люди изготавливают её уже как минимум 5300 лет.
ВЭС немного сложнее, обычно они содержат пять или более элементов примерно в равных пропорциях. Как смузи, ни один «вкус» не доминирует. Появившись в начале 2000-х годов, учёные ищут более прочные, износостойкие или устойчивые к коррозии сплавы.
Энтропия? Вспомним второй закон термодинамики из школьного курса физики: естественные процессы неизбежно становятся более хаотичными со временем. Их энтропия увеличивается, как беспорядок в комнате подростка. ВЭС использует этот принцип. Чем более хаотично смешаны разные элементы, тем больше энтропия.
Но странно, что высокая энтропия помогает стабилизировать твёрдую фазу этих сплавов. Если их тщательно перемешать в расплавленном состоянии, полученный твёрдый сплав будет механически прочнее и термостабильнее, чем сплавы с меньшим количеством элементов.
Самый известный ВЭС — это, вероятно, сплав Кантора, названный в честь профессора Брайана Кантора из Оксфордского университета. Этот сплав кобальта, хрома, железа, марганца и никеля (Co, Cr, Fe, Mn и Ni) остаётся гибким при криогенных температурах, типично для жидкого азота при –196 °C.
По словам ведущего автора, доктора Хёджина Пак, обычные металлы чувствительны к изменению температуры и обычно оптимизированы для определённого температурного диапазона. Вне этого диапазона их эффективность снижается, что ограничивает их применение в средах с резкими колебаниями температуры, говорит Пак.
ВЭС от POSTECH выдержал изменение температуры на 800 °C без потери механических свойств. Температуры варьировались от криогенных –196 °C до высоких 600 °C, типичных для газовых турбин.
Состоящий из 35% никеля, 53% железа, кобальта и хрома, а также 7% алюминия и 5% титана, их ВЭС представляет собой «гранецентрированную кубическую решётку» (ГЦК), говорит Пак. Это один атом в каждом углу куба (всего 8 углов) плюс один атом в центре каждой грани куба (6 граней).
Суперметаллы ГЦК можно сгибать и растягивать без разрушения, они отлично подходят для изготовления проводов и фольги. Углы куба будут представлять один элемент, а центры граней — другой, что закрепляет структуру, придавая ей дополнительную прочность и предотвращая деформацию со временем. Алюминий и титан действуют как арматурные стержни, придавая дополнительную термическую стабильность и позволяя ВЭС сохранять гибкость в широком диапазоне температур, говорит Пак.
Пак заключает, что их гиперадаптивный ВЭС будет особенно полезен в таких требовательных областях, как производство ракет, реактивных двигателей, автомобильных выхлопных систем, турбин электростанций — везде, где металлы должны выдерживать экстремальные и быстрые изменения температуры. Статья опубликована в журнале Material Research Letters.