Ein Metall sehr widerstandsfähig zu machen, ist eine Sache. Ihm zu erlauben, sich zu verformen, ohne zu brechen, ist eine andere. Forschern der Purdue University ist es gelungen, diese beiden Eigenschaften in einem Material auf Basis von Kobalt und Aluminium zu vereinen, das bis zu zehnmal widerstandsfähiger ist als bestimmte Baustähle.
Die untersuchte Verbindung, genannt CoAl, gehört zur Familie der intermetallischen Phasen. Ihre Atome sind in einer sehr geordneten Struktur angeordnet, was ihr eine hohe Festigkeit und eine gute Beständigkeit bei hohen Temperaturen verleiht. Dennoch macht diese Ordnung sie auch spröde: Unter hoher Belastung kann sie brechen, bevor sie sich verformt.
Gießerei - Bild Wikimedia
Diese Schwäche schränkt ihren Einsatz in Bauteilen ein, die extremen Bedingungen ausgesetzt sind, wie etwa Flugzeugturbinen. Diese Komponenten müssen über lange Zeiträume Hitze, Vibrationen und erhebliche Kräfte aushalten. Ein Material, das fest bleibt und gleichzeitig einen Teil der Stöße absorbiert, wäre daher von großem Interesse.
Um dies zu erreichen, versuchte das Team nicht, alle Defekte des Materials zu beseitigen. Im Gegenteil, sie führten absichtlich Versetzungen ein, winzige Unregelmäßigkeiten in der Atompackung. In einem Metall ermöglichen sie es den atomaren Schichten, aneinander entlangzugleiten, anstatt einen spröden Bruch zu verursachen.
Die Forscher erzeugten auch sehr feine amorphe Grenzflächen, d.h. Zonen, in denen die Atome nicht mehr der üblichen kristallinen Ordnung folgen. Unter Druckeinwirkung werden diese Grenzen aktiv und begünstigen das Auftreten neuer Versetzungen. Das Material findet so mehr Möglichkeiten, sich zu verformen.
Die Tests ergaben eine Streckgrenze von über 6 GPa, verglichen mit etwa 0,6 bis 1 GPa für hochfeste Baustähle. Gleichzeitig hielt das Nanolaminat bei Raumtemperatur unter Druck eine plastische Verformung von mehr als 15 % aus, ohne sofort zu brechen.
Das derzeitige Material ist eine nanometergroße Schichtstruktur, die durch Gasphasenabscheidung gewonnen wird, und kein massives, zur Industrialisierung bereites Bauteil. Der Übergang zu einer größeren Produktion ist nun eines der Hauptziele.
Die Bedeutung der Studie geht jedoch über das reine Kobalt-Aluminium hinaus. Wenn diese Methode bei anderen intermetallischen Phasen funktioniert, könnte sie einen Weg eröffnen, Materialien zu entwickeln, die besser für die Luftfahrt, die Energiegewinnung oder die Raumfahrt geeignet sind, dort, wo herkömmliche Metalle an ihre Grenzen stoßen.