Extrem fest und hitzebeständig
ETH-Forscher stellten einen dünnen Film und feinste Säulen aus einer neuen Klasse von Legierungen her, die aus mehreren, feinverteilten Elementen besteht. Das Material widersteht extremen Drücken und Temperaturen.
Seit mehr als 4000 Jahren stellen Menschen Metalllegierungen her, um damit Werkstoffe mit gewünschten Eigenschaften zu erhalten. Traditionell bestehen diese Legierungen aus einem Hauptmetall, in welches in einem Schmelzprozess kleinere Mengen eines oder weniger anderer Elemente gemischt werden. Bronze beispielsweise besteht zum Grossteil aus Kupfer, zu einem geringeren Anteil aus Zinn. Es ist wesentlich fester als reines Kupfer oder reines Zinn.
Anders ist die Zusammensetzung bei sogenannten Hochentropie-Legierungen. Seit wenigen Jahren steht diese neue Klasse von Legierungen bei Materialwissenschaftlern hoch im Kurs, denn sie weisen eine hohe Festigkeit auf und sind temperatur- sowie korrosionsbeständig. Hochentropie-Legierungen bestehen aus meist vier oder fünf metallischen Elementen. Forscher unter der Leitung von Ralph Spolenak, Professor für Nanometallurgie, stellten nun aus einer Hochentropie-Legierung einen drei Mikrometer dünnen Film her und frästen in diesen eine Struktur aus Säulen mit einem Durchmesser von 100 Nanometern bis einem Mikrometer. Die Legierung besteht aus gleichen Anteilen der Elemente Niob, Molybdän, Tantal und Wolfram.
Feinstruktur verändert Eigenschaften
Wie sich zeigte, haben diese «Mikro-Säulen» aus der Hochentropie-Legierung ganz besondere Eigenschaften: Sie sind zehnmal fester als ein Block aus demselben Material. Ausserdem lassen sich die Säulen unter hohen Drücken um bis zu rund einem Drittel ihrer Länge stauchen ohne dabei spröde zu werden oder zu brechen – diese Verformbarkeit bezeichnen Wissenschaftler als Duktilität. Und schliesslich ist das Material auch enorm temperaturbeständig: Es überstand drei Tage bei 1100 Grad Celsius ohne wesentliche Änderung der äusseren und inneren Struktur – ganz im Gegensatz zu reinem Wolfram, welches die Wissenschaftler als Kontrolle ebenfalls der Hitzebehandlung unterzogen. Mikro-Säulen der Hochentropie-Legierung schnitten nach der Hitzebehandlung in Bezug auf Festigkeit und Duktilität besser ab als solche aus reinem Wolfram. Und dies obschon die Hochentropie-Legierung grundsätzlich einen wesentlich tieferen Schmelzpunkt hat als reines Wolfram (rund 2900 gegenüber 3400 Grad).
Hergestellt haben die Wissenschaftler den drei Mikrometer dünnen Film mit der Magnetron-Kathodenzerstäubung, einem in der Mikroelektronik oft verwendeten Beschichtungsverfahren. Indem Atome der erwähnten vier Elemente zerstäubt und gleichzeitig auf ein Trägermaterial gesprüht wurden, kam diese Technik erstmals zur Produktion einer Hochentropie-Legierung zum Einsatz. Mittels der Ionenfeinstrahltechnik (FIB) stellten die Wissenschaftler die Mikro-Zylinder auf der Oberfläche des Films frei.
Material aus winzigen Einzelkristallen
Beim Material der ETH-Forscher ist nicht nur die äusserst feingliedrige Säulenstruktur bemerkenswert, sondern auch der innere kristalline Aufbau. Wie die meisten kristallinen Körper besteht auch dieses Material aus einer Vielzahl von kleinen Einzelkristallen. Das Besondere an der Legierung ist, dass diese Einzelkristalle winzig sind – im Jargon wird das Material als nanokristallin bezeichnet. «Nanokristalline Materialien haben zwar viele gewünschte Eigenschaften, jedoch oft auch Nachteile», erklärt Yu Zou, Doktorand in Spolenaks Gruppe und Erstautor der nun in der Fachzeitschrift «Nature Communications» veröffentlichten Studie. «So sind diese Materialien in der Regel nicht temperaturbeständig, denn bei Erwärmung nimmt die Grösse der Einzelkristalle zu, und damit ändern sich die Materialeigenschaften.»
Dass die Hochentropie-Legierung ausgesprochen temperaturbeständig ist, hat nach Auskunft der Wissenschaftler möglicherweise mit der verhältnismässig ungeordneten atomaren Verteilung der Elemente in ihrem Innern zu tun. Die Forscher vermuten, dass insbesondere die Unordnung an den inneren Grenzflächen der Einzelkristalle dazu beiträgt, dass Einzelkristalle bei Hochentropie-Legierungen im Vergleich zu anderen Materialien eine geringere Tendenz haben, bei Erwärmung zu wachsen. Ob diese Vermutung zutrifft, möchten die Wissenschaftler in weiterer Forschungsarbeit untersuchen, in der sie die atomare Verteilung der Elemente im Material genau unter die Lupe nehmen.
Interessant sei das neue Material vor allem für Anwendungen bei hohen Drücken und hohen Temperaturen, beispielsweise zum Bau von Sensoren, die bei solchen Extrembedingungen funktionieren müssen, sagt Zou.
Literaturhinweis
Zou Y, Ma H, Spolenak R: Ultrastrong ductile and stable high-entropy alloys at small scales. Nature Communications, 10. Juli 2015, doi: externe Seite 10.1038/ncomms8748