211service.com
Zelfherstellende metalen
Toen afgestudeerde student Guoqiang Xu en assistent-professor materiaalwetenschappen en techniek Michael Demkowicz, SM '04, PhD '05, voor het eerst het resultaat zagen, dachten ze dat het een vergissing was. Onder bepaalde omstandigheden ontdekten ze dat het onder spanning zetten van een gebarsten stuk metaal - dat wil zeggen, het uitoefenen van een kracht die het naar verwachting uit elkaar zou trekken - het omgekeerde effect had, waardoor de scheur sloot en de randen samensmelten. De bevinding, zeggen ze, zou kunnen leiden tot zelfherstellende materialen die beginnende schade herstellen voordat deze de kans krijgt zich te verspreiden.
Een simulatie toont een kleine scheur (donkere horizontale balk) die zichzelf herstelt als metaal onder spanning komt te staan.
Ze moesten teruggaan om het te controleren, zegt Demkowicz, toen in plaats van uit te breiden [de scheur] zich aan het sluiten was. De volgende vraag was: 'Waarom gebeurt dit?'
Het antwoord bleek te liggen in de kristallijne microstructuur van een metaal, in dit geval nikkel, de basis voor superlegeringen die worden gebruikt in extreme omgevingen zoals diepzee-oliebronnen. Door een computermodel van de microstructuur van nikkel te maken en zijn reactie op verschillende omstandigheden te bestuderen, zegt Demkowicz, ontdekten we dat er een mechanisme is dat in principe scheuren kan sluiten onder elke uitgeoefende spanning.
Metalen zijn meestal opgebouwd uit kleine kristalkorrels - gebieden waar de atomen op een nauwkeurig geordende manier zijn opgesteld. Op de grenzen tussen deze korrels kan de oriëntatie van dat patroon abrupt veranderen. Onder bepaalde omstandigheden, zo ontdekten Demkowicz en Xu, zorgt stress ervoor dat de microstructuur verandert, waardoor korrelgrenzen migreren, zeggen ze. In feite groeit één korrel terwijl de aangrenzende krimpt. Deze migratie van de korrelgrens is de sleutel tot het genezen van de scheur, zegt Demkowicz.
Zelfgenezing vindt alleen plaats in metalen die een bepaald soort grens bevatten, legt hij uit - een die zich gedeeltelijk door een korrel uitstrekt, maar niet helemaal over de korrel. Dit creëert een type defect dat bekend staat als een disclinatie.
Deze defecten hebben intense spanningsvelden, die zo sterk kunnen zijn dat ze in feite omkeren wat een uitgeoefende belasting zou doen, zegt Demkowicz. Dus wanneer de twee kanten van een gebarsten materiaal uit elkaar worden getrokken, in plaats van verder te barsten, kan het genezen. De stress van de disclinaties leidt tot dit onverwachte gedrag, zegt hij.
Nadat ze dit mechanisme hebben ontdekt, zijn de onderzoekers van plan te bestuderen hoe metaallegeringen kunnen worden ontworpen zodat scheuren zouden sluiten en genezen onder belasting die typisch is voor bepaalde toepassingen. Er bestaan al technieken om de microstructuur van legeringen te controleren, zegt Demkowicz, dus het is gewoon een kwestie van uitzoeken hoe je het gewenste resultaat kunt bereiken.
Dat is een veld dat we net aan het openbreken zijn, zegt hij. Hoe ontwerp je een microstructuur die zichzelf geneest? Dit is erg nieuw.