Metal structures in 4D - Highlights

Superstærke nanometaller - en kinetisk-dansk succeshistorie
Metallers styrke afhænger af mikrostrukturen – jo finere strukturer, jo højere styrke. Men holder denne fysiske grundsætning også når strukturen bliver ekstrem fin?

Denne udfordring er taget op af materialeforskere over hele jorden – også af M4D centeret i samarbejde med Shenyang National Laboratory, Institute of Metal Research for Materials Science, Chinese Academy of Sciences – og samarbejdet har båret frugt. Det har nemlig vist sig at styrken i et kobbermateriale som ventet tiltager når strukturen bliver finere; men helt uventet bliver metallet igen blødere, når strukturens dimension bliver mindre end 15 nanometer (1 nm = 10-6 mm), se figuren øverst.
Dernæst er det lykkedes på grundlag af elektronmikroskopiske strukturundersøgelser at fastlægge de fysisk-mekaniske processer der ligger til grund for de usædvanlige egenskaber. Resultaterne er publiceret i tidsskriftet Science, 30 Jan 2009.

Det undersøgte kobber er fremstillet ved elektrolytisk udfældning, hvor det er muligt gennem ændringer i procesbetingelserne at fremstille materialer med meget fine strukturer. Der er således lykkedes at fremstille emner med et ekstremt højt indhold af de såkaldte tvillinger, der er afgrænset til omgivelserne af specielle og karakteristiske krystalplaner. Disse tvillingegrænser kan i lighed med korngrænser bremse eller stoppe dislokationsbevægelser under belastning – og ligesom korngrænser bidrager de mere til styrken jo flere der er af dem. Styrken i et materiale med tvillinger vil derfor stige, når tvillingerne bliver mindre på samme måde som styrken af et poly-krystallinsk materiale stiger med aftagende kornstørrelse.

Denne effekt forklarer hvorfor styrken stiger når tvillingestørrelsen falder til 15 nm, men hvorfor bliver materialet blødere når størrelsen yderligere reduceres til ca 4 nm, der var det mindst opnåelige? Gennem detaljerede elektronmikroskopi undersøgelser er det lykkedes at fastlægge de fysiske mekanismer, der kan forklare de usædvanlige egenskaber. Det er fundet at tvillingerne er dækket af de såkaldte partielle dislokationer (se figuren nederst), der i modsætning til andre dislokationer er let flytbare, dvs. når der bliver tilstrækkeligt mange af dem i de fine strukturer stiger metallets plasticitet.

De opnåede resultater er videnskabeligt værdifulde, men de har også teknologisk interesse. Det fremstillede kobber har ikke alene høj styrke – ca 4 gange stærkere end det kommercielle materiale – men det er også muligt at skræddersy egenskaberne så den meget høje styrke kan kombineres med god formbarhed – hvad der er meget usædvanligt for et nanokrystallinsk metal, hvor kombinationen typisk er høj styrke og meget begrænset formbarhed. Det fremstillede kobber har også – takket være sin renhed – god termisk og elektrisk ledningsevne.

 


Øverst: Styrken af kobberet som funktion af tykkelsen på tvillingerne. Der er et tydeligt maksimum ved en tykkelse på 15 nm. Nederst: Transmissions elektron mikroskopi billede med atomar opløsning af en struktur, der har tvillinger med tykkelse på ~4 nm. Partielle dislokationer er tilstede ved tvillingegrænserne (når man følger det atomare gitter langs de viste baner ses en forskydning på et gitterplan). 

Page updated  11.05.2009

Center For Fundamental Research: Metal Structures In Four Dimensions
Materials Research Division
Risø National Laboratory for Sustainable Energy
Technical University of Denmark
DK-4000 Roskilde Denmark
Phone: +45 4677 5730 Fax: +45 4677 5758
Send mail to erik.mejdal@risoe.dk with questions or comments about this web site.