Учените създадоха нов, суперздрав, топлоустойчив материал

Революционната сплав Cu-Ta-Li има потенциала да революционизира космическата, отбранителната и промишлената сфера. Изследователи от Изследователската лаборатория на армията на САЩ (ARL) и университета Lehigh разработиха усъвършенствана наноструктурирана медна сплав, която поставя нов стандарт за високотемпературни характеристики в аерокосмическите, отбранителните и индустриалните приложения.

Публикувано в Science, тяхното изследване представя сплавта Cu-Ta-Li (мед-тантал-литий), която показва изключителна термостабилност и механична якост, което я прави един от най-издръжливите материали на медна основа, създавани някога.

„Това е авангардна наука, разработваща нов материал, който уникално съчетава превъзходната проводимост на медта със здравина и издръжливост в мащаба на базираните на никел суперсплави“ — казва Мартин Хармър, почетен професор по материалознание и инженерство на фондация Alcoa в университета Лихай и съавтор на изследването. „Това предоставя на промишлеността и военните основа за разработване на нови материали за хиперзвукови и високоефективни турбинни двигатели.“

Изследователите от ARL и Lehigh си сътрудничиха с учени от държавния университет на Аризона и държавния университет на Луизиана, за да разработят сплав, която може да издържи на екстремни температури без значително разграждане.

Комбинация от мед и  цветно стабилизирана наноструктура

Пробивът идва благодарение на образуването на Cu₃Li преципитати, стабилизирани от двуслоен атомен цветен тариал — концепция, въведена от  изследователите на Lehigh. Тя действа като структурен стабилизатор, поддържайки нанокристалната структура и подобрявайки производителността при висока температура.

Патрик Кантуел, изследовател в университета Лихай и съавтор на изследването, отбелязва, че сплавта запазва формата си при екстремно продължително термично излагане и механичен стрес, издържайки на деформация дори близо до точката на топене.

Чрез комбиниране на устойчивостта на висока температура на суперсплавите на базата на никел с медта, която е известна с изключителната си проводимост, този материал проправя пътя за приложения от следващо поколение, включително и топлообменници, усъвършенствани електроцентрали и решения за термоуправление на модерни ракетни и хиперзвукови технологии.

Нов клас високоефективни материали

Тази нова Cu-Ta-Li сплав предлага баланс от свойства, които не се срещат в съществуващите материали:

• Суперсплавите на базата на никел (използвани в реактивните двигатели) са изключително здрави, но нямат високата топлопроводимост на медните сплави.
• Сплавите на базата на волфрам се характеризират с висока устойчивост на топлина, но са плътни и трудни за производство.
• Тази Cu-Ta-Li сплав съчетава изключителната термична и електрическа проводимост на медта, като същевременно остава здрава и стабилна при екстремни температури.
• Въпреки че не е директен заместител на традиционните суперсплави в приложенията с ултрависоки температури, той може да ги допълни в инженерните решения от следващо поколение.

Как изследователите са го създали и тествали

Екипът синтезира сплавта с помощта на прахова металургия и високоенергийно криогенно смилане, осигурявайки фина наноструктура. След това го подлага на:

• 10 000 часа (повече от година) отгряване при 800°C, което потвърждава неговата дългосрочна стабилност.
• Усъвършенствани методи за микроскопия, които разкриват структурата на утайката от Cu₃Li.
• Експериментите с устойчивост на огъване потвърждават неговата издръжливост при екстремни условия.
• Компютърно моделиране с помощта на функционалната теория на плътността (DFT) потвърди стабилизиращата роля на двуслойния Cu-Ta-Li.

Патент, финансиране и бъдеща работа

Изследователската лаборатория на армията на САЩ получи патент на САЩ (US 11,975,385 B2) за тази сплав, подчертавайки нейното стратегическо значение, особено в отбранителните приложения като военни топлообменници, електроцентрали и хиперзвукови превозни средства.

Това изследване беше подкрепено от Изследователската лаборатория на армията на САЩ, Националната научна фондация и Президентската инициатива за нано-човешки интерфейс (NHI) на университета Лихай, която насърчава иновациите в нанотехнологиите. Дългогодишното партньорство на Lehigh с ARL, продължаващо повече от десетилетие, изигра важна роля в разширяването на границите на науката за материалите.

Учените казват, че по-нататъшните изследвания ще включват директни измервания на топлопроводимостта на сплавта в сравнение с алтернативите на базата на никел, работа за подготовката ѝ за потенциални приложения и разработване на други високотемпературни сплави, използващи подобна стратегия за проектиране.

„Този ​​проект е отличен пример за това как федералните инвестиции във фундаменталната наука допринасят за лидерството на Америка в технологията на материалите“ — каза Хармър. „Подобни научни открития са ключови за укрепване на националната сигурност и стимулиране на индустриалните иновации“.