Ученые ДВФУ в составе международной команды «омолодили» металлические стекла

Ученые-материаловеды из Дальневосточного федерального университета (ДВФУ), Кембриджа (Великобритания) и Китайской академии наук разработали методику «омоложения» объемных металлических стекол, сделав их более пластичными и устойчивыми к сверхкритическим нагрузкам. Доработанные металлические стекла можно применять во множестве областей: от гибкой электроники, разнообразных датчиков и сердечников трансформаторов до медицинских имплантов и защиты спутников. Статья об этом опубликована в Nature.

Металлические стекла — это непрозрачные сплавы аморфных металлов, которые, в отличие от обычных металлов, не обладают кристаллической структурой. В этом их преимущество и недостаток. С одной стороны, они очень прочные, упругие и устойчивы к повреждениям, как ни один другой материал. С другой стороны, именно из-за отсутствия кристаллической структуры металлические стекла не обладают пластичностью металлов. Они очень твердые, но при этом хрупкие: под сверхкритическими нагрузками не деформируются, а разрушаются. Изначально это «материал-старик», ненадежный в повседневном применении.

Сродни походу за Святым Граалем для ученых всего мира стал поиск ответа на вопрос, как «омолодить» металлические стекла: как, сохранив их прочность и упругость, придать им пластичность, то есть способность, подобно обыкновенному металлу, деформироваться и одновременно упрочняться, а не разрушаться под нагрузками. Особенно актуальна задача была в случае с объемными металлическими стеклами (толщиной от миллиметра до десятка сантиметров), которые наиболее интересны для практического применения.

Команда ученых из ДВФУ, Кембриджского университета (Великобритания) и Института исследования металлов (Китайская академия наук, Шеньян) под руководством профессора А.Л. Грира (Кембридж) предложила методику «омоложения» объемных металлических стекол из сплава циркония, меди, никеля и алюминия. Под воздействием трехосного сжатия образцов стекла в форме цилиндра, его центральную часть перевели в менее жесткое состояние (состояние с более высокой энергией, характеризующееся неплотной «упаковкой» атомов). «Омоложенную» таким образом сердцевину цилиндра извлекли и использовали для исследования механических свойств в стандартных условиях.

При деформации «молодое» металлическое стекло еще больше прибавило в прочности по сравнению с изначальным цилиндрическим образцом и приобрело пластичность, научившись распределять сверхкритические нагрузки более равномерно, деформируясь, а не разрушаясь. Методика может быть применена к металлическим стеклам различных составов и объема.

«Пластическая деформация — очень важное свойство структурных материалов — поликристаллических металлов. Атомы в кристаллической решетке формируют кристаллографические плоскости, которые способны скользить и смещаться относительно друг друга при механичекой деформации. Благодаря этому металлы под сверхвысокими нагрузками не разрушаются, а деформируются, приобретая повышенную прочность, деформационное упрочнение. С металлическими стеклами не так. Благодаря изначальной высокой твердости и отсутствию кристаллической решетки такое стекло очень сложно деформировать. Когда количество стресса превышает допустимый предел, мы получаем не деформационное упрочнение, а деформационное ослабление: образуются локальные области деформации, приводящие к моментальному разрушению материала»,  — рассказал исследователь структуры «омоложенных» металлических стекол в международном проекте, доцент кафедры компьютерных систем Школы естественных наук ДВФУ Юрий Иванов.

Ученый объяснил, что металлические стекла изначально настолько твердые, что до недавнего времени просто сложно было представить механизм их дальнейшего «упрочнения». Казалось, что единственный возможный путь — это путь их ослабления под деформационными нагрузками.

Однако команда исследователей из ДВФУ, Кембриджа и Китайской академии наук нашла и описала механизм деформационного упрочнения металлических стекол.

Как отмечает Юрий Иванов, секрет в том, чтобы работать с нерелаксированным материалом, который сам «хочет» расслабиться, «отдохнуть» под действием нагрузки.

«Стекло, которое мы «омолодили», обладало настолько разупорядоченной структурой, что под воздействием пластической деформации оно автоматически перешло в конфигурацию с меньшей энергией, с более плотно упакованными атомами, в чем мы убедились при структурном анализе материала. Это состояние оказалось более твердым и пластичным. Таким образом, мы впервые за долгое время получили механизм, когда деформационное упрочнение металла достигается за счет ослабления энергии в материале, а не за счет ее увеличения», — отметил ученый, для которого работа стала частью докторской диссертации, ее он планирует защитить в ДВФУ.

Любопытно, что впервые объяснение деформационного упрочнения металлов было предложено в Кембриджском университете (Великобритания) математиком Д.И. Тейлором в 1934 году, а в 1956 году также в Кэмбридже П.Б. Хирш впервые наблюдал движение дислокаций в кристаллических металлах под воздействием деформаций. Сейчас, спустя 85 лет, группа ученые выявили новый механизм деформационного упрочнения некристаллических металлических стекол.

Металлические стекла называют материалом 21 века. В зависимости от состава, их получают путем напыления или быстрого перевода металлов из жидкого состояния в твердое, когда кристаллическая решетка не успевает образоваться. Материал значительно слабее подвержен воздействию таких агрессивных сред, как кислоты и морская вода по сравнению с поликристаллическими металлами.

Свойства металлических стекол могут быть востребованы во многих направлениях деятельности человека: от датчиков в шинах и сердечников трансформаторов до гибкой электроники, и космических программ. Наиболее популярной областью в ближайшем будущем станет портативная электроника. Один из участников работы, профессор Юй Ли (Китайская академия наук) отметил, что недавний образец циркониевого металлического стекла примерно такого же состава был использован в новом поколении складных мобильных устройств Huawei. Такое металлическое стекло может пережить много циклов «сгибания-разгибания».

Пресс-служба ДВФУ,
press@dvfu.ru