Na Kalifornské univerzitě si nadělili výjimečně lehký a pevný kov  
Lehký kovový nanokompozit hořčíku a karbidu křemíku láme rekordy v pevnosti a odolnosti.

 

Mikroskopická struktura nového kovového nanokompozitu. Kredit: UCLA Scifacturing Laboratory.
Mikroskopická struktura nového kovového nanokompozitu. Kredit: UCLA Scifacturing Laboratory.

Jak se zdá, věda nikdy nespí. Ani o Vánocích. Materiáloví vědci Kalifornské univerzity v Los Angeles si udělali radost a vyvinuli výjimečně lehký a zároveň supersilný kov, který má skvělý poměr tuhosti k váze materiálu. Jejich výtvor tvoří hořčík, který je vyplněný množstvím keramických nanočástic karbidu křemíku. Nanočástic je tolik, že představují 14 procent výsledného objemu nového materiálu. Nově vyvinutý lehký kov by se mohl uplatnit v letadlech, kosmických lodích či automobilech, kterým by ušetřil na palivu, anebo třeba v mobilní elektronice a biomedicínských zařízeních.

Xiao-Chun Li. Kredit: UCLA.
Xiao-Chun Li. Kredit: UCLA.


Pro vývoj kovu, který je velice pevný a zároveň lehký skoro jako pírko, byla podle badatelů klíčová nová metoda rozptýlení a stabilizování nanočástic v roztaveném kovu. Xiaochun Li a jeho kolegové také vyvinuli technologii výroby podobných kovů, která by v dohledné době mohla vést k řadě aplikací. Jejich snažení ocenil časopis Nature publikací ve svém vánočním vydání.

Už před nějakým časem se objevil nápad, že by nanočástice mohly vylepšit pevnost kovů, aniž by tím ohrozily jejich plasticitu. Platí ho hlavně pro lehké kovy, jako je právě hořčík. Zatím ale nikdo nedokázal v roztaveném kovu vhodným způsobem rozptýlit keramické nanočástice. Li a spol. se chlubí tím, že jejich technologie teď nabízí možnost podobným způsobem vylepšit vlastnosti mnoha různých kovů.

Nikoliv nanočástice, ale řekněme makročástice karbidu křemíku. Kredit: dokola / Wikimedia Commons.
Nikoliv nanočástice, ale řekněme makročástice karbidu křemíku. Kredit: dokola / Wikimedia Commons.


Hustota kovového hořčíku (1738 kg na metr krychlový) odpovídá asi dvou třetinám hustoty hliníku. Horčík je vůbec nejlehčím konstrukčním kovem. Karbid křemíku je zase extrémně tvrdá sloučenina uhlíku a křemíku keramické povahy, která se používá třeba při výrobě průmyslových čepelí. Když do hořčíku napumpujete nanočástice karbidu křemíku, menší než 100 nanometrů, tak tím hořčík získá pevnost, tuhost, plasticitu i stálost ve vysokých teplotách. V testech vyšlo najevo, že hořčík s infuzí těchto nanočástic je v některých ohledech dokonce rekordní.

Vlevo hořčík, vpravo hořčík s nanočásticemi karbidu křemíku. Kredit: UCLA Scifacturing Laboratory.
Vlevo hořčík, vpravo hořčík s nanočásticemi karbidu křemíku. Kredit: UCLA Scifacturing Laboratory.

S keramickými částicemi se ve vývoji nových kovů počítalo už dlouho. Není to ale jednoduché. Když se použijí mikročástice, tak to vede k poklesu plasticity výsledného materiálu. S keramickými nanočásticemi je zase potíž v tom, že mají nepříjemný sklon shlukovat se. Jak se zdá, keramika má jisté kouzlo přitažlivosti. Li a spol. to vyřešili rozptýlením keramických nanočástic do roztavené slitiny hořčíku a zinku. Materiál pak ještě zpracovali technologií torze za vysokého tlaku (high pressure torsion, HPT). 

Vývojáři jsou nadšeni. Podle nich jde o objevení špičky ledovce úplně nové třídy kovových materiálů, které budou mít revoluční vlastnosti a jistě také revoluční možnosti využití. Pokud jde o kovový nanokompozit hořčíku a karbidu křemíku, hořčík je všudypřítomnou surovinou a masová výroba nového kovu by neměla dělat závažnější problémy životnímu prostředí. Tak směle do toho.


Literatura
University of California Los Angeles 23. 12. 2015, Nature 528: 539-543.

 

Autor: Stanislav Mihulka
Datum: 26.12.2015
Tisk článku

Neobyčejné materiály - Miodownik Mark
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 298 Kč
cena: 244 Kč
Neobyčejné materiály
Miodownik Mark
Související články:

Lehčí než voda a pevný jako ocel     Autor: Stanislav Mihulka (04.02.2014)
Sklo pevné skoro jako ocel     Autor: Stanislav Mihulka (07.11.2015)
Nanoterminátoři z tekutého kovu proti nádorům     Autor: Stanislav Mihulka (02.12.2015)



Diskuze:

Pár drobností

Martin Krupicka,2016-01-08 13:18:57

Předesílám, že nejsem materialista, takže mne mohou zarazit i zcela běžné věci.
Příprava kovu:
Therefore, nanoparticles were concentrated by evaporating away magnesium and zinc from the Mg6Zn (1 vol% SiC) ingot at 6 torr in a vacuum furnace. After evaporation and slow cooling at approximately 0.23 K s−1, a sample with about 14 vol% nanoparticles in an Mg2Zn matrix was obtained.

Obrázek z SEM, na kterém jsou komínky je výsledek tlakové zkoušky.

Zjistili, že podél některých os je materiál slabší, proto pak provedli HPT, které vedlo ke zmenšení zrn a více izotropnímu rozložení.

Neuvádí ani orientační cenu pro dosažení 1.5g vzorku, který používali.

Odpovědět


Re: Pár drobností

Josef Hrncirik,2016-01-09 20:56:29

jsem jenom dialektický materialista s VUML, ale se 14%vol plniva na snímku mě neopili

Odpovědět

Nový lehký, pevný kov .

Vlastislav Výprachtický,2015-12-29 07:49:00

Úspěch asi doopravdy přineslo rovnoměrné tozptýlení kovových nanočástic v tavenině. Další využití lze předpokládat i u dalších prvků, možná i v rozptýlení radioaktivních částic do tavenin i nekovových pro snížení intenzity radiace.

Odpovědět

Vaclav Adamec,2015-12-27 22:56:15

Takze co nam jeste chybi na stavbu keramitove zbroje ala Warhammer 40K ? Keramit pomoci aerodynamické levitace uz umime, tohle na kostru a pancerovani taky staci, elektronika/hydraulika je uz taky zvladnutelna, takze cekame na fuzni pohon ?

Odpovědět

Kompozit

Oskar Zemcik,2015-12-27 14:35:07

Nejsem si jistý zda nadpis poněkud nemystifikuje, podle mne nevytvořili nový kov, ale nějaký kompozit obsahující slitinu hořčíku s přidanými částečkami karbidy křemíku. Škoda že tu nejsou konkrétní informace o zlepšených mechanických vlastnostech, protože se mi nechce dávat 16 dolarů za stažení zdroje :0(
Taky se mi moc nezdá, že by hořčíková slitina přidáním tvrdých částeček získala plasticitu..

Odpovědět


Re: Kompozit

Josef Hrncirik,2015-12-29 10:12:25

s nanočásticemi vylučujícími se při ochlazování slitin je asi běžný. Prostě dural.
Nevím nakolik je ale běžné fázi plniva připravit ve tvaru vláken či dokonce destiček s poměrem délka/tloušťka minimálně 10; 100; ...?
Navíc by měly mít i řádově větší pevnost a pokud možno i tažnost? než levná matrice.
Takové plnivo asi nelze do systému při větším objemovém zlomku zamíchat, ev. pak změní jeho zpracovatelnost k nepoužitelnosti.
Musí? tedy v něm vzniknout.
Velmi důležitá je adheze mezi plnivem a matricí, která bude nutně pro materiály s velmi odlišnými vlastnostmi malá. Tavenina kovu nejspíše nesmočí keramiku a adheze bude špatná a využity pouze špatné vlastnosti plniva, nikoliv dobré.
Bude to pak nejspíše jen porozimetrie keramického plniva vláken? SiC hořčíkovou taveninou s nutností tuhnutí pod extrémním tlakem.
Možná se mýlím. Přesvědčil by mě graf tahové zkoušky vzorku.
Kde koupili vhodná a levná vlákna? SiC?
(v PRC)

Odpovědět

:)

Radovan Slegl,2015-12-26 22:24:13

Rád čtu Osla už léta a proto potěší, když v článku naleznu foto karbidu křemíku z Wikipedie, který mi leží tady na stole u počítače. Pak si člověk řekne, že to má možná i smysl někdy na tu wiki něco nahrát.

Odpovědět


Re: :)

Libor Zak,2015-12-27 10:56:37

Krásný kousek :)

Odpovědět


je to asi jen 1/100 kusu SiC

Josef Hrncirik,2015-12-29 11:49:24

z pece n.p. Carborundum (brousek, tehdy za 3,- Kč kousek); Benátky nad Jizerou, který byl cca před 40 lety naprosto pravidelně vystavován na MSV v hale Z BVV. Třpytil se jak falešné diamanty z moisanitu.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni