Forbedret nanokrystallinsk legering kan revolutionere luftfart & bilindustrien

Som navnet antyder, er nanokrystaller små partikler. Disse partikler er krystallinske elementer med mindst én dimension mindre end 1.000 nanometer, hvor en nanometer er en milliardtedel af en meter.

Nanopartikler, der er så små som under 10 nanometer, bliver kvanteprikker. Journal of Biotechnology giver omfattende indsigt i nanopartikelklassificering, deres fysikokemiske egenskaber, karakterisering og anvendelse.

Nanomaterialer varierer i forhold til deres dimension. For eksempel kan de være nul-dimensionelle, én-dimensionelle, to-dimensionelle og tre-dimensionelle. De kan hjælpe med at danne fullerenes, nanotubes, nanohorns, nanosheets, nanolayers, nanowires og nanotube arrays.

De kan være organiske, carbonbaserede eller uorganiske. Og vigtigst af alt har nanopartikler et bredt spektrum af egenskaber, herunder mekaniske, termiske, magnetiske, elektroniske & optiske eller katalytiske. Et så bredt anvendelsesområde gør nanokrystaller gavnlige og egnet til at skabe banebrydende løsninger for fremtiden. 

Udviklingen inden for nanokrystaller har ført til nanokrystallinske legeringer. Forskere anser disse legeringer som særligt betydningsfulde på grund af deres unikke hydrogeneringsegenskaber. Disse legeringer har typisk en kornstørrelse på mindre end 50 nanometer. En ny forskningspublikation fra Cornell University påstår, at nanoskalatuning hjælper legeringer med at modstå højhastighedspåvirkninger. 

I det kommende afsnit dykker vi dybere ned i, hvorfor denne forskning er et gennembrud.

Håndtering af deformation i krystaller og sprødhed i metaller

Dislokationer spiller en væsentlig rolle i plastisk deformation i krystaller. Ved ekstreme tøjningshastigheder skifter deres bevægelse fra termisk aktiveret glide til ballistisk transport, hvilket forårsager betydelig modstand på grund af interaktioner med fononer. Dette er årsagen til sprødhed og svigt i metaller.

I den forskning, vi diskuterer her, præsenterer forskere beviser, der viser, at i Cu-3Ta, en termomekanisk stabil nanokrystallinsk legering¹, er fonondrag‑effekten fuldstændig undertrykt selv ved ultra‑høje tøjningshastigheder (10^9 s−1). Det sker på grund af den stabile indespærring af dislokationer inden for flere‑nanometer områder, hvilket begrænser deres hastighed og interaktion med fononer.

Undersøgelsen indikerer, at i indespærrede miljøer er dislokation‑fonon‑drag‑effekten minimal, hvilket potentielt kan forbedre materialets ydeevne under ekstreme forhold.

Alt dette kan lyde meget teknisk. I det næste afsnit kan vi forstå fænomnet i forhold til, hvordan det udfolder sig i praksis. 

Design af metaller og legeringer, der kan modstå ekstreme påvirkninger

I mere forståelige termer har det Cornell‑ledede samarbejde udtænkt en ny metode til at designe metaller og legeringer, der kan modstå ekstreme påvirkninger. Forskerne har opnået dette ved at indføre hastighedsbump på nanometerskala, som undertrykker en grundlæggende overgang, der styrer, hvordan metalliske materialer deformeres.

Forskerne ønsker, at vi forestiller os et scenarie, hvor et metallisk materiale bliver ramt med ekstrem høj hastighed, svarende til hvad der sker ved motorvejskollisioner og ballistiske påvirkninger. Sprødhed får materialet til at briste og fejle og kan forstås som tab af duktilitet på grund af hurtig deformation. 

Forskerne undersøger derefter de faktorer, der bidrager til metalers formbarhed. Denne formbarhed er resultatet af små defekter eller dislokationer, der bevæger sig gennem krystallinsk korn, indtil de møder en barriere. Dislokationens hastighed accelererer under hurtige, ekstreme belastninger. Denne forøgede eller accelererede dislokation – ofte forekommende ved hastigheder på kilometer per sekund – begynder at interagere med gittervibrationer, eller fononer, hvilket skaber en betydelig modstand. Denne interaktion fører til sidst til ballistisk transport fra en termisk aktiveret glide, hvilket forårsager betydelig modstand og sprødhed.

Hvad gør forskerne for at kontrollere sådanne fejl? Mostafa Hassani, assistentprofessor i Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering og Department of Materials Science and Engineering i Cornell Engineering, har følgende at sige:

“For at undertrykke ballistisk dislokationstransport og den resulterende fonondrag bruger vi konceptet med at indespærre dislokationers bevægelse, deres glide, til nanometerskala.”

Mostafa Hasani ledte teamet af Cornell‑forskere, der arbejdede sammen med forskere fra Army Research Laboratory (ARL). For at udtænke en løsning skabte teamet en nanokrystallinsk legering, kobber‑tantal (Cu-3Ta). 

Kobber blev valgt, fordi dets nanokrystallinske korn var så små, at dislokationernes bevægelse blev iboende begrænset. Tantal tilføjede værdi ved yderligere at indespærre bevægelsen gennem sine nanometerklustre, der er til stede inde i kornene.

Klik her for at lære alt om den revolutionerende Ti-AL legering.

Udførelsen af eksperimentet i laboratoriet

Forskerne anvendte en specialbygget bordplatform, der affyrede kugleformede mikroprojektiler på 10 mikrometer i størrelse via et laserpulser, som nåede hastigheder på op til 1 kilometer per sekund – hurtigere end et fly. Når mikroprojektilerne rammer et målmateriale, blev påvirkningen optaget af et højhastighedskamera.

Som en del af eksperimentet kørte forskerne det først med rent kobber og derefter med kobber‑tantal. For at tilføre variation til testsituationen gentog forskerne også eksperimentet ved en langsommere hastighed med en kugleformet spids, der gradvist blev presset ind i underlaget, så det blev indrykket. 

Ved måling ved høje hastigheder så forskerne på data vedrørende påvirknings‑ og reboundhastigheder samt partikelstørrelse. Den korrekte behandling af data var afgørende, da den kunne hjælpe med at isolere bidraget fra dislokation‑fonon‑drag og systematisk undertrykke dette bidrag. 

Undertrykkelsen var helt sikkert effektiv og gav resultater som i et konventionelt metal eller legering; dislokationer kunne rejse flere dusin mikrometer uden nogen barrierer. Men i nanokrystallinsk kobber‑tantal kunne dislokationerne knap bevæge sig mere end et par nanometer, hvilket er 1.000 gange mindre end en mikrometer, før de blev stoppet i deres spor.

Denne opdagelse opsummerer forskningsgennembruddet. Selvom sprødhed kunne undertrykkes effektivt, var det første gang, forskerne så en sådan adfærd ved så høj en hastighed. 

Fremadrettet planlægger forskerne at udvide deres forslag fra anvendelse på én mikrostruktur og én sammensætning til at justere sammensætning og mikrostrukturer samt kontrollere dislokation‑fonon‑drag. Vil de kunne forudsige omfanget af dislokation‑fonon‑interaktionerne? Det er noget, fremtidige eksperimenter på området vil kunne besvare. 

Selvom fremtiden rummer mange løfter og er fuld af muligheder, er anvendeligheden af forskningen allerede vel etableret. Resultaterne, som citeret i artiklen, kan føre til udviklingen af biler, fly og rustning, der bedre kan modstå højhastighedspåvirkninger, ekstreme temperaturer og belastninger. 

Virkelige anvendelser & tidslinje

Industrianalytikere og eksperter mener, at dette fremskridt kan føre til udviklingen af mere slagfast materiale til brug i biler, fly og beskyttende rustning, med potentielle kommercielle anvendelser inden for de næste 5 til 10 år, efterhånden som teknologien modnes og integreres i fremstillingsprocesser.​

Slagfasthed er en afgørende egenskab for materialer, især for materialer brugt i fremstilling. Denne egenskab gør det muligt for et materiale at modstå pludselige, kraftige påvirkninger uden at gå i stykker eller deformere. En korrekt forståelse af slagfast materiale er afgørende, når man beskæftiger sig med anvendelser inden for bilindustrien, luftfart, industrielt udstyr og forbrugerprodukter.

Luftfartsstrukturer er sårbare over for en række påvirkningsbelastninger under deres service, fra fugleslag, haglslag og udbrud af motorblæserblade. Slagfasthed er derfor en af de mest kritiske evalueringsparametre for design af luftfartsstrukturer, da den påvirker sikkerhed, pålidelighed og omkostninger ved luftfartsstrukturer.

Forskningen kan hjælpe med at opnå forbedrede standarder for slagfasthed. Det er en afgørende parameter for at opnå succes, da påvirkningsbelastning kan variere hurtigt over tid og forårsage materialdeformation under høje tøjningshastigheder.

Det videnskabelige samfund betragter strain rate‑afhængige mekaniske egenskaber og svigtkarakteristika for materialer som afgørende for sikker design af ingeniørstrukturer. Diskussionen i forskningen kan betydeligt forbedre dette aspekt. Dog mener forskere, at vurdering af luftfartsstrukturer under påvirkningsbelastninger præsenterer udfordringer i højt præcis eksperimentel karakterisering og konstitutiv modellering, høj‑effektiv beregnings‑ og simuleringsmetoder samt udvikling af nye anti‑påvirknings‑ og energi‑absorberende strukturer.

Frontal og side‑slagfasthed er afgørende faktorer i evalueringen af en bils robusthed. I Latin New Car Assessment Programme, udføres for eksempel frontal påvirkning ved 64 km/t (40 mph), hvor bilen kolliderer med en deformerbar barriere med 40 % af bredden foran på førersiden (offset). 

Endnu vigtigere er parameteren for side‑slagfasthed, da sidekollisioner udgør den næsthøjeste forekomst af dødsfald og alvorlige skader i regioner som Europa. For at måle side‑slagfasthed, ifølge Latin NCAP’s standarder, monteres en deformerbar barriere på en vogn og køres med 50 km/t ind i siden af den stationære testbil i en ret vinkel. 

Dette er meget vigtige sikkerhedstest. De hjælper med at bestemme sikkerhedsstandarderne for et køretøj. For en producent er denne parameter af allerstørste betydning. At have høje slagfasthedsstandarder hjælper med at skabe tillid til et bilmærke på markedet. 

Den aktuelle forskning fra Cornell University‑teamet vil hjælpe med at forbedre slagfasthed, kollisionsmodstand og krasjmodstand for køretøjer betydeligt. Det vil hjælpe med at revolutionere disse industrier ved at bygge strukturer og køretøjer, der er væsentligt sikrere end de nuværende løsninger.

Dog, for at forskningen kan give resultater, har vi brug for virksomheder, der kan hjælpe med at implementere forskningsbaserede løsninger på kommerciel skala. I det følgende afsnit diskuterer vi en banebrydende virksomhed inden for dette område, ATI Inc. (ATI ), en leder inden for produktion af avancerede specialmaterialer og komponenter, herunder højtydende legeringer brugt i luftfart og forsvarsapplikationer.

Innovativ virksomhed

ATI Inc. (ATI )

ATI Inc. er en leverandør af mange tjenester. Det hævder at løse verdens udfordringer gennem materialvidenskab ved at gøre det muligt for sine kunder, gennem sine materialer, at gøre fantastiske ting – fra at drive jetmotorer ved 2800 grader Fahrenheit til at udstyre nationens forsvar med sikker og effektiv transport af stærkt korroderende væsker og udstødningsstrømme, til at muliggøre livsændrende medicinske indsigter. 

Virksomheden betjener en række industrier, herunder luftfart, forsvar, energi, medicin og elektronik. Den fremstiller en række højtydende materialer og komponenter samt avancerede legeringer og løsninger. 

Højtydende materialer og komponenter fra ATI Inc. 

Virksomhedens segment for højtydende materialer og komponenter er ansvarligt for at producere, omdanne og distribuere materialer, der opfylder behovene i avancerede slutbruger‑markeder som luftfart og forsvar, olie‑ og gas/kemisk procesindustri, elektrisk energi og medicin.

Materialer leveret af virksomheden under denne kategori omfatter titanium og titaniumbaserede legeringer, nikkel‑ og koboltbaserede legeringer og superlegeringer, avancerede pulverlegeringer samt andre specialmetaller i lange produktformer, såsom ingot, billet, stang, stang, tråd, former og rektangler, samt sømløse rør, plus flowform dele, præcisionssmederi og bearbejdede dele. 

Virksomheden tilbyder en fuldt integreret service, der starter fra leveringen af råmaterialer (svamp) til smeltning, gen‑smeltning, efterbehandling, smedning og bearbejdning i sine titanium‑ og titaniumlegerings‑ samt zirconium‑ og hafniumlegeringsprodukter. 

Special Materials‑segmentet i virksomheden sikrer, at materialer som titanium, nikkel, kobolt og stål, legeret sammen gennem præcise formler og komplekse processer, udvikler modstand mod slid, varme og korrosion. 

ATI’s nikkel‑ og koboltbaserede legeringer og superlegeringer bruges for eksempel i jetmotorer, gasturbiner, kemisk bearbejdning, petroleumraffinering, marine, elektronik og andre applikationer, hvor almindelige rustfri stål måske ikke leverer tilstrækkelig ydeevne.

I kategorien for titanium‑ og titaniumlegeringsprodukter fremstiller ATI højstyrke, kommercielt rent titanium og titaniumlegeringsprodukter i fladvalsede og lange former, netformer og komponenter.

Den er også involveret i produktion af kommercielt rent titanium og titaniumlegeringer såsom nær‑net‑form titaniumpulvermetaller, titaniumaluminider, højtudviklede titaniumstøbeemner og titaniumsmederier samt bearbejdede titaniumkomponenter.

Specialstålprodukter fremstillet af ATI er kendt for deres korrosions‑ og varmebestandighed. Disse stållegeringer anvendes i en række industrier, herunder luftfart og forsvar, kemisk procesindustri, olie og gas, elektrisk energi, medicin, bilindustri, fødevareudstyr og apparater, byggeri, minedrift, transport og elektronik.

ATI’s nikkel‑ og koboltbaserede legeringer og superlegeringer bruges i jetmotorer, gasturbiner, kemisk bearbejdning, petroleumraffinering, marine, elektronik og andre applikationer som supplerende løsninger i tilfælde, hvor almindelige rustfri stål måske ikke leverer tilstrækkelig ydeevne.

Alt i alt opererer ATI gennem et bredt spektrum. Det tilbyder forskellige løsninger til en række industrier gennem sin banebrydende materialvidenskabelige ekspertise. 

I Q4 2024 steg ATIs omsætning sekventielt med 12 % til $1,2 milliard. Justeret EBITDA var $210 millioner, over virksomhedens vejledte interval på $181 millioner til $191 millioner. På årsbasis var omsætningen næsten $4,4 milliard, ATIs højeste siden 2012. Justeret EBITDA var $729 millioner. Og EBITDA‑margenerne var næsten 17 %. 

Når det gælder slagfasthed specifikt, har ATI mange materialer i sin portefølje. Dets ATI 302™ (S30200), ATI 304™ (S30400), ATI 304L™ (S30403) og ATI 305™ (S30500) rustfri stål er for eksempel kendt for deres slagfasthed. Dette sæt af annealeret austenitisk rustfrit stål bevarer høj slagfasthed selv ved kryogene temperaturer, en egenskab som i kombination med deres lavtemperaturstyrke og bearbejdelighed har ført til deres anvendelse ved håndtering af flydende naturgas og andre kryogene miljøer. 

ATI 625™ legeringen (UNS Designation N06625) er en austenitisk nikkelbaseret superlegering med fremragende modstand mod oxidation og korrosion over et bredt spektrum af korrosive forhold, herunder jetmotor‑miljøer og mange andre luftfarts‑ og kemiske procesapplikationer. Produktet bevarer høj slagfasthed ved lave temperaturer. 

Dette er kun et par eksempler. Der findes mange flere sofistikerede materialeløsninger fra ATI. 

Seneste om ATI Inc.

Fremtiden for nanokrystallinske legeringer

Fremtiden for nanokrystallinske legeringer er fuld af løfter. Nanokrystallinske magnesiumbaserede legeringer har tiltrukket forskningsinteresse for deres potentiale til at levere forbedringer i milde eller endda stuetemperatur hydrering kinetik. Disse legeringer har også bevist deres effektivitet i at sænke hydrogen‑desorptions temperaturen. 

De magnesiumbaserede nanokrystallinske legeringer fremstillet ved mekanisk legering udviser betydeligt forbedret hydrering kinetik under moderate temperaturer. 

Forskning udført i løbet af det sidste årti har vist, at F&U‑indsatser i nanokrystallinske materialer, når de er korrekt modificerede, kan yde revolutionerende bidrag til forbedring af materialegenskaber. Disse egenskaber omfatter kinetik og termodynamik, struktur, mikrostruktur samt indre og ydre magnetiske egenskaber.

Nanoengineering af metalliske materialer er også fremkommet som et vigtigt studieområde. Nanostrukturerede materialer kan være nye, men de har allerede fundet ingeniørapplikationer, der kræver produktion i betydelige mængder i tonnage. Mere end 30.000 ton per år af de bløde magnetiske nanokrystallinske legeringer produceres ved krystallisering af RSP amorfe bånd.

Forskning markerer nanokrystallinske WC‑Co‑kompositter som en tidlig succes, med deres overlegne hårdhed, sejhed og slidbestandighed, hvilket giver højtydende bearbejdningsværktøjer. Den meget fine struktur af de nanokrystallinske værktøjer lover overlegen fin boring og skærenyde i mikro‑bearbejdningsområdet. Ifølge offentligt tilgængelige videnskabelige rapporter og studier viser nanokomposit aluminium‑ og magnesiumlegeringer med en høj volumenfraktion af nanoskalaprecipitater meget høje styrker og moderat duktilitet.

Dog er disse materialer kun blevet produceret i relativt små mængder og har ikke nået kommerciel anvendelse. Bulk amorf legering‑afledte nanokrystallinske materialer har høj styrke og moderat sejhed. Dog kræves yderligere udvikling for at opnå duktilitet og sejhed til kritiske ingeniørapplikationer. 

Alt i alt svarer nanokrystallinske legeringer til et videnskabeligt felt, der trives med innovationspotentiale og banebrydende opdagelsesmuligheder. Med tiden vil det uden tvivl revolutionere mange andre områder, såsom luftfart og bilindustri. 

Klik her for at lære om Rhenium, det højtydende luftfartsmateriale.

Studier refereret:

1. Tang, Q., Li, J., Hornbuckle, B. C., et al. (2025). Suppressed ballistic transport of dislocations at strain rates up to 10^9 s–1 in a stable nanocrystalline alloy. Communications Materials, 6(43). https://doi.org/10.1038/s43246-025-00757-8