Verbeterde nanokristallijne legering kan de lucht‑ en ruimtevaart & auto revolutioneren

Zoals hun naam al aangeeft, zijn nanokristallen kleine deeltjes. Deze deeltjes zijn kristallijne elementen met ten minste één dimensie kleiner dan 1.000 nanometer, waarbij een nanometer één miljardste van een meter is.

Nanopartikels die kleiner zijn dan 10 nanometer worden quantumdots. Het Journal of Biotechnology biedt uitgebreide inzichten over nanopartikelclassificatie, hun fysisch‑chemische eigenschappen, karakterisering en toepassing.

Nanomaterialen variëren in termen van hun dimensie. Bijvoorbeeld, ze kunnen nul‑dimensionaal, één‑dimensionaal, twee‑dimensionaal en drie‑dimensionaal zijn. Ze kunnen bijdragen aan de vorming van fullerenen, nanobuizen, nanohorens, nanosheets, nanolaagjes, nanodraden en nanobuizen‑arrays.

Ze kunnen organisch, koolstofgebaseerd of anorganisch zijn. En het belangrijkste is dat nanodeeltjes een breed scala aan eigenschappen bezitten, waaronder mechanische, thermische, magnetische, elektronische & optische, of katalytische eigenschappen. Zo’n breed spectrum aan bruikbaarheid maakt nanokristallen nuttig en bevorderlijk voor het creëren van geavanceerde oplossingen voor de toekomst. 

Ontwikkeling op het gebied van nanokristallen heeft geleid tot nanokristallijne legeringen. Wetenschappers beschouwen deze legeringen als bijzonder belangrijk vanwege hun unieke waterstofopname‑eigenschappen. Deze legeringen hebben doorgaans een korrelgrootte van minder dan 50 nanometer. Een nieuwe onderzoekspublicatie van Cornell University beweert dat nanoschaalaanpassingen legeringen helpen hoge‑snelheidsimpacten te weerstaan. 

In het komende segment gaan we dieper in op waarom dit onderzoek een doorbraak is.

Het aanpakken van vervorming in kristallen en brosheid in metalen

Dislocaties spelen een belangrijke rol bij plastische vervorming in kristallen. Bij extreme reknelastigheden verschuift hun beweging van thermisch geactiveerde glijdende beweging naar ballistische transport, wat aanzienlijke weerstand veroorzaakt door interacties met fononen. Dit is de reden voor brosheid en falen in metalen.

In het onderzoek dat we hier bespreken, tonen wetenschappers bewijs dat aantoont dat in Cu-3Ta, een thermo‑mechanisch stabiele nanokristallijne legering¹, het fonon‑drag effect volledig wordt onderdrukt, zelfs bij ultra‑hoge reknelastigheden (10^9 s−1). Dit gebeurt door de stabiele opsluiting van dislocaties binnen enkele nanometer bereik, waardoor hun snelheid en interactie met fononen beperkt wordt.

De studie geeft aan dat in begrensde omgevingen het dislocatie‑fonon‑drag effect minimaal is, wat mogelijk de materiaalle prestaties onder extreme omstandigheden verbetert.

Dit alles kan sterk technisch klinken. In het volgende segment kunnen we het fenomeen begrijpen in termen van hoe het zich in de praktijk uitstrekt. 

Metaal‑ en legeringsontwerp klaar om extreme impacten te weerstaan

In meer begrijpelijke termen heeft de door Cornell geleide samenwerking een nieuwe methode ontwikkeld voor het ontwerpen van metalen en legeringen die extreme impacten kunnen weerstaan. De onderzoekers hebben dit bereikt door nanometer‑schaal snelheidsdrempels in te voeren die een fundamentele overgang onderdrukken die bepaalt hoe metalen materialen vervormen.

De onderzoekers willen ons een scenario laten voorstellen waarin een metalen materiaal wordt getroffen met een extreem hoge snelheid, vergelijkbaar met wat er gebeurt bij snelwegbotsingen en ballistische impacten. Brosheid veroorzaakt dat het materiaal scheurt en faalt en kan worden begrepen als het verlies van ductiliteit door snelle vervorming. 

Onderzoekers onderzoeken vervolgens de factoren die bijdragen aan de vervormbaarheid van metalen. Deze vervormbaarheid is het resultaat van kleine defecten of dislocaties die door het kristallijne korrel reizen totdat ze een barrière tegenkomen. Het tempo van de dislocatie versnelt onder snelle, extreme rekken. Deze versnelde dislocatie — vaak optredend met snelheden van kilometers per seconde — begint te interageren met roostertrillingen, of fononen, waardoor aanzienlijke weerstand ontstaat. Deze interactie leidt uiteindelijk tot ballistisch transport vanuit een thermisch geactiveerde glijdende beweging, wat aanzienlijke weerstand en brosheid veroorzaakt.

Wat doen de onderzoekers om dergelijke falen te beheersen? Mostafa Hassani, assistent‑professor aan de Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering en de Department of Materials Science and Engineering in Cornell Engineering, heeft het volgende te zeggen:

“Om ballistisch dislocatietransport en de resulterende fonon‑drag te onderdrukken, gebruiken we het concept van het beperken van de beweging van dislocaties, hun glijden, tot nanometerschaal.”

Mostafa Hasani leidde het team van Cornell‑onderzoekers dat samenwerkte met onderzoekers van het Army Research Laboratory (ARL). Om een oplossing te bedenken, creëerde het team een nanokristallijne legering, koper‑tantaal (Cu-3Ta). 

Koper werd gekozen omdat de nanokristallijne korrels zo klein waren dat de beweging van dislocaties inherent beperkt werd. Tantaal voegde waarde toe door de beweging verder te beperken via zijn nanometerclusters die zich binnen de korrels bevinden.

Klik hier om alles te leren over de revolutionaire Ti-AL legering.

De uitvoering van het experiment in het laboratorium

De onderzoekers gebruikten een op maat gebouwd tafelplatform dat bolvormige microprojectielen van 10 micron grootte lanceerde via een laserpuls, met snelheden tot 1 kilometer per seconde — sneller dan een vliegtuig. Terwijl de microprojectielen een doelmateriaal raakten, werd de impact vastgelegd door een hogesnelheidscamera.

Als onderdeel van het experiment voerden de onderzoekers het eerst uit met zuiver koper en daarna met koper‑tantaal. Om variatie toe te voegen aan het testschema, herhaalden de onderzoekers het experiment ook op een lagere snelheid met een bolvormige tip, die geleidelijk in het substraat werd geduwd, waardoor het werd ingedrukt.

Bij het meten op hoge snelheden bekeken de onderzoekers gegevens met betrekking tot de impact‑ en terugkaatsnelheden en de deeltjesgrootte. De juiste verwerking van de gegevens was cruciaal, omdat dit kon helpen de bijdrage van dislocatie‑fonon‑drag te isoleren en systematisch te onderdrukken.

De onderdrukking was duidelijk effectief en leverde resultaten op zoals bij een conventioneel metaal of legering; dislocaties konden enkele tientallen microns reizen zonder barrières. Maar in nanokristallijn koper‑tantaal konden de dislocaties nauwelijks meer dan een paar nanometers bewegen, wat 1.000 keer kleiner is dan een micron, voordat ze werden gestopt in hun baan.

Deze bevinding vat de baanbrekende aard van het onderzoek samen. Terwijl brosheid effectief kon worden onderdrukt, was het de eerste keer dat de onderzoekers dergelijk gedrag zagen bij zo’n hoge snelheid.

Vooruitkijkend plannen de onderzoekers hun voorstel uit te breiden van één microstructuur en één samenstelling naar het afstemmen van de samenstelling en microstructuren en het beheersen van de dislocatie‑fonon‑drag. Zouden ze in staat zijn de omvang van de dislocatie‑fonon interacties te voorspellen? Dat is iets wat toekomstige experimenten in dit gebied ons zullen vertellen.

Hoewel de toekomst veel beloftes en mogelijkheden biedt, is de toepasbaarheid van het onderzoek al goed vastgesteld. De bevindingen, zoals geciteerd in het artikel, kunnen leiden tot de ontwikkeling van auto’s, vliegtuigen en pantser dat beter bestand is tegen hoge‑snelheidsimpacten, extreme hitte en stress. 

Toepassingen in de praktijk & Tijdlijn

Industrie‑analisten en experts geloven dat deze vooruitgang kan leiden tot de ontwikkeling van meer impactbestendige materialen voor gebruik in auto’s, vliegtuigen en beschermend pantser, met potentiële commerciële toepassingen die de komende 5 tot 10 jaar opkomen naarmate de technologie rijpt en wordt geïntegreerd in productieprocessen.​

Impactbestendigheid is een cruciale eigenschap voor materialen, vooral voor materialen die in de productie worden gebruikt. Deze eigenschap stelt een materiaal in staat plotselinge, hoge‑kracht impacten te weerstaan zonder te breken of te vervormen. Een goed begrip van impactbestendige materialen is essentieel bij toepassingen in de auto‑, lucht‑ en ruimtevaart, industriële uitrusting en consumentenproducten.

Lucht‑ en ruimtevaartstructuren zijn kwetsbaar voor een reeks impactbelastingen tijdens hun dienst, van vogelinslagen, hagelinslagen en uitval van motor‑ventilatorbladen. Impactbestendigheid is daarom een van de belangrijkste beoordelingscriteria voor het ontwerp van lucht‑ en ruimtevaartstructuren, omdat het de veiligheid, betrouwbaarheid en kosten beïnvloedt.

Het onderzoek kan helpen hogere normen voor impactbestendigheid te bereiken. Het is een cruciale parameter voor succes, aangezien impactbelastingen snel kunnen variëren, waardoor materiaalvervorming optreedt bij hoge reknelastigheden.

De wetenschappelijke gemeenschap beschouwt reknelastigheid‑afhankelijke mechanische eigenschappen en faalkarakteristieken van materialen als cruciaal voor het veilige ontwerp van technische constructies. De discussie in dit onderzoek kan dit aspect aanzienlijk verbeteren. Wetenschappers geloven echter dat het beoordelen van lucht‑ en ruimtevaartstructuren onder impactbelastingen uitdagingen met zich meebrengt op het gebied van hoog‑fideliteit experimentele karakterisering en constitutieve modellering, efficiënte computationele en simulatiemethoden, en de ontwikkeling van nieuwe anti‑impact en energie‑absorberende structuren.

Voor‑ en zijdelingse impactbestendigheid zijn cruciale factoren bij het evalueren van de robuustheid van een auto. In het Latin New Car Assessment Programme, bijvoorbeeld, wordt een frontale impact uitgevoerd bij 64kph (40mph) terwijl de auto tegen een vervormbare barrière botst met 40% van de breedte aan de bestuurderskant (offset). 

Belangrijker is de parameter van zijdelingse impactbestendigheid, aangezien zijdelingse botsingen de op één na hoogste frequentie van sterfgevallen en ernstige verwondingen in regio’s zoals Europa veroorzaken. Om de zijdelingse impactbestendigheid te meten, volgens de normen van de Latin NCAP, wordt een vervormbare barrière op een karretje gemonteerd en met 50 km/h tegen de zijkant van het stationaire testvoertuig gereden onder een rechte hoek.

Dit zijn zeer cruciale veiligheidstests. Ze helpen de veiligheidsnormen van een voertuig te bepalen. Voor een fabrikant is deze parameter van het grootste belang. Hoge impactbestendigheidsnormen helpen vertrouwen te creëren voor een automerk op de markt.

Het huidige onderzoek van het Cornell‑universiteitsteam zou de impactbestendigheid, botsingsbestendigheid en crashbestendigheid van voertuigen aanzienlijk verbeteren. Het zou deze industrieën revolutioneren door structuren en voertuigen te bouwen die veel veiliger zijn dan de huidige oplossingen.

Hoewel de toekomst veel beloftes en mogelijkheden biedt, is de toepasbaarheid van het onderzoek al goed vastgesteld. De bevindingen, zoals geciteerd in het artikel, kunnen leiden tot de ontwikkeling van auto’s, vliegtuigen en pantser dat beter bestand is tegen hoge‑snelheidsimpacten, extreme hitte en stress. 

However, for the research to yield results, we would need companies that would help implement scientific research‑based solutions on a commercial scale. In the following section, we discuss a pioneering company in this space, ATI Inc. (ATI ), een leider in de productie van geavanceerde speciale materialen en componenten, inclusief hoogpresterende legeringen die worden gebruikt in lucht‑ en ruimtevaart‑ en defensietoepassingen.

Innovatief bedrijf

ATI Inc. (ATI )

ATI Inc. is een leverancier van vele diensten. Het beweert de wereldwijde uitdagingen op te lossen via materiaalkunde door haar klanten, via haar materialen, in staat te stellen verbazingwekkende dingen te doen – van het laten draaien van straalmotoren bij 2800 graden Fahrenheit tot het uitrusten van de nationale defensie om veilig en efficiënt zeer corrosieve vloeistoffen en uitlaatgassen te transporteren, tot het mogelijk maken van levensveranderende medische inzichten. 

Het bedrijf bedient een reeks industrieën, waaronder lucht‑ en ruimtevaart, defensie, energie, medische sector en elektronica. Het produceert een verscheidenheid aan hoogpresterende materialen en componenten, evenals geavanceerde legeringen en oplossingen. 

Hoogpresterende materialen en componenten van ATI Inc. 

Het segment hoogpresterende materialen en componenten van het bedrijf is verantwoordelijk voor het produceren, omzetten en distribueren van materialen die voldoen aan de behoeften van geavanceerde eindgebruikermarkten zoals lucht‑ en ruimtevaart en defensie, olie‑ en gas/chemische procesindustrie, elektrische energie, en medische sector.

Materialen die door het bedrijf onder deze categorie worden geleverd omvatten titanium en op titanium gebaseerde legeringen, nikkel‑ en kobalt‑gebaseerde legeringen en superlegeringen, geavanceerde poederlegeringen, en andere speciale metalen in lange productvormen, zoals blok, billet, staaf, staafje, draad, vormen en rechthoeken, en naadloze buizen, plus flow‑vorm onderdelen, precisie‑smeedwerk en bewerkte onderdelen. 

Het bedrijf biedt een volledig geïntegreerde service die begint bij de levering van grondstoffen (spons) tot smelten, hersmelten, afwerking, smeden en bewerken van zijn titanium‑ en titaniumlegeringen en zirconium‑ en hafniumlegeringen.

Het segment Specialty Materials van het bedrijf zorgt ervoor dat materialen zoals titanium, nikkel, kobalt en staal, samengevoegd via precieze formules en complexe processen, weerstand ontwikkelen tegen slijtage, hitte en corrosie.

De nikkel‑ & kobalt‑gebaseerde legeringen en superlegeringen van ATI worden bijvoorbeeld gebruikt in straalmotoren, gasturbines, chemische verwerking, aardolie‑raffinage, maritieme toepassingen, elektronica en andere toepassingen waar gewone roestvrijstalen mogelijk niet voldoende presteren.

In de categorie titanium‑ en titaniumlegeringsproducten vervaardigt ATI hoogsterke, commercieel zuivere titanium‑ en titaniumlegeringsproducten in vlakgerolde en lange vormen, netto‑vormen en componenten.

Het is ook betrokken bij de productie van commercieel zuiver titanium en titaniumlegeringen zoals bijna‑net‑vorm titanium poedermetalen, titanium‑aluminiden, hoog‑geengineerde titaniumgietstukken en titaniumsmeedstukken, en bewerkte titaniumcomponenten.

Specialty‑stalen producten vervaardigd door ATI staan bekend om hun corrosie‑ en hittebestendigheid. Deze staallegeringen vinden diverse toepassingen in verschillende industrieën, waaronder lucht‑ en ruimtevaart en defensie, chemische verwerkingsindustrie, olie‑ en gas, elektrische energie, medische sector, automotive, voedselapparatuur en huishoudelijke apparaten, bouw, mijnbouw, transport en elektronica.

De nikkel‑ & kobalt‑gebaseerde legeringen en superlegeringen van ATI worden gebruikt in straalmotoren, gasturbines, chemische verwerking, aardolie‑raffinage, maritieme toepassingen, elektronica en andere toepassingen als aanvullende oplossingen voor gevallen waarin gewone roestvrijstalen mogelijk niet voldoende presteren.

Al met al opereert ATI via een breed spectrum. Het biedt diverse oplossingen aan een reeks industrieën via zijn geavanceerde materiaalkundige expertise. 

In Q4 2024, ATI had zijn omzet in Q4 2024 met 12% sequentieel verhoogd tot $1,2 miljard. De aangepaste EBITDA bedroeg $210 miljoen, boven de door het bedrijf gestelde range van $181 miljoen tot $191 miljoen. Op jaarbasis bedroeg de omzet bijna $4,4 miljard, het hoogste voor ATI sinds 2012. De aangepaste EBITDA was $729 miljoen. En de EBITDA‑marges waren bijna 17%. 

Als het gaat om impactbestendigheid specifiek, heeft ATI veel materialen in zijn portfolio. Zijn ATI 302™ (S30200), ATI 304™ (S30400), ATI 304L™ (S30403), en ATI 305™ (S30500) roestvrijstalen staan bijvoorbeeld bekend om hun impactbestendigheid. Deze reeks geanneerde austenitische roestvrijstalen behoudt hoge impactbestendigheid zelfs bij cryogene temperaturen, een eigenschap die, in combinatie met hun lage temperatuur sterkte en bewerkbaarheid, heeft geleid tot hun gebruik bij het hanteren van vloeibaar aardgas en andere cryogene omgevingen.

De ATI 625™ legering (UNS Designation N06625) is een austenitische nikkel‑basis superlegering met uitstekende weerstand tegen oxidatie en corrosie over een breed scala aan corrosieve omstandigheden, inclusief straalmotoromgevingen en vele andere lucht‑ en ruimtevaart‑ en chemische proces‑toepassingen. Het product behoudt hoge impactbestendigheid bij lage temperaturen.

Dit zijn slechts een paar voorbeelden. Er zijn nog veel meer geavanceerde materiaaloplossingen van ATI. 

Laatste nieuws over ATI Inc.

De toekomst van nanokristallijne legeringen

De toekomst van nanokristallijne legeringen is vol beloftes. Nanokristallijne magnesium‑gebaseerde legeringen hebben onderzoeksmatige interesse getrokken vanwege hun potentieel om verbeteringen te leveren in milde of zelfs kamertemperatuur hydrideringskinetiek. Deze legeringen hebben ook hun effectiviteit bewezen in het verlagen van de waterstof‑desorptietemperatuur. 

De op magnesium gebaseerde nanokristallijne legeringen die door mechanische legering zijn bereid, vertonen aanzienlijk verbeterde hydrideringskinetiek bij matige temperaturen. 

Onderzoek dat het afgelopen decennium is uitgevoerd, heeft aangetoond dat R&D‑inspanningen in nanokristallijne materialen, wanneer correct gemodificeerd, revolutionaire bijdragen kunnen leveren aan het verbeteren van materiaaleigenschappen. Deze eigenschappen omvatten kinetiek en thermodynamica, structuur, microstructuur, en intrinsieke en extrinsieke magnetische eigenschappen.

Nano‑engineering van metalen materialen is ook naar voren gekomen als een cruciaal studiegebied. Nanogestructureerde materialen kunnen nieuw zijn, maar ze hebben al engineeringtoepassingen gevonden die productie in aanzienlijke hoeveelheden tonnage vereisen. Meer dan 30.000 ton per jaar van de zachte magnetische nanokristallijne legeringen worden geproduceerd door kristallisatie van RSP amorfe linten.

Onderzoek markeert nanokristallijne WC‑Co composieten als een vroeg succes, met hun superieure hardheid, taaiheid en slijtvastheid, waardoor ze hoogwaardige bewerkingsgereedschappen leveren. De zeer fijne structuur van de nanokristallijne gereedschappen belooft superieure fijne boor‑ en snijprestaties in het micro‑bewerkingsgebied. Volgens publiek beschikbare wetenschappelijke rapporten en studies vertonen nanocomposiet aluminium‑ en magnesiumlegeringen met een hoog volume‑fraction nanoschaal‑precipitaten zeer hoge sterktes en matige ductiliteit.

Echter, deze materialen zijn slechts in relatief kleine hoeveelheden geproduceerd en hebben nog geen commerciële toepassing bereikt. Bulk‑amorf‑legering‑afgeleide nanokristallijne materialen komen met hoge sterkte en matige taaiheid. Verdere ontwikkeling is echter vereist om ductiliteit en taaiheid te bereiken voor kritieke technische toepassingen. 

Al met al vormen nanokristallijne legeringen een wetenschappelijk veld dat bloeit met innovatief potentieel en baanbrekende ontdekkingsmogelijkheden. Met de tijd zal het vele andere velden, zoals lucht‑ en ruimtevaart en automotive, zeker revolutioneren.

Klik hier om meer te leren over het Rhenium, het hoogpresterende lucht‑ en ruimtevaartmateriaal.

Studies geraadpleegd:

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