Materiały o dużej twardości, jak azotek chromu, są często stosowane jako antykorozyjne powłoki ochronne, m.in. na narzędziach do cięcia metalu. Naukowcy z Singapuru odkryli, jak można jeszcze poprawić ich twardość, otwierając drogę do supertwardych powłok.
Fot. John Twohig Photography / Foter.com / CC BY-NC
Twardość to parametr, który ma szczególne znaczenie wszędzie tam, gdzie wymagana jest wysoka odporność na zużycie. Określa go maksymalna siła, jaką materiał może znieść, dopóki nie rozpocznie się jego nieodwracalna deformacja. Deformacja natomiast zachodzi kiedy defekty nazywane dyslokacjami zaczynają się przemieszczać w obrębie struktury krystalicznej.
Obecnie stosowane materiały powłokowe są niestety bardzo kruche, niemal tak kruche jak szkło. W ich przypadku więc deformacja zachodzi stosunkowo szybko. Badacze z Singapuru dokonali jednak odkrycia, które może znacznie poprawić właściwości tych tworzyw.
Małe ziarna – wielka siła
Shiyu Liu oraz jego współpracownicy z Agency for Science, Technology and Research w Singapurze prowadzili badania nad powłokami na bazie azotku chromu. Wykorzystując wiedzę, że materiał o maleńkich ziarnach posiada większą twardość i jest go trudniej uszkodzić, otrzymali oni tworzywo o podobnej strukturze i uformowali z niego na powierzchni mikroskopijne (o przekroju ok. 380 nm) słupki. Następnie poddali je działaniu diamentowej prasy w temperaturze do 500°C i obserwowali odpowiedź materiału.
Odkryli, że w przypadku powłok na bazie azotku chromu, które mają bardzo drobne ziarna (o przekroju ok. 10 nm) oddzielone od siebie cienkimi obszarami granic ziaren, siła wymagana do zdeformowania materiału znacznie wzrastała. Deformacja rozpoczynała się dopiero dla wartości z górnej granicy zakresu wyliczonego przez naukowców teoretycznie.
Supertwarde powłoki przyszłości
Jak to wytłumaczyć? Bardzo małe ziarna nie posiadają dyslokacji, dlatego aby doszło do deformacji, w materiale musiały powstać zupełnie nowe defekty. A to wymagało ogromnej siły.
Dzięki temu odkryciu możemy uzyskać jeszcze twardsze i wysoce odporne na pęknięcia powłoki ceramiczne. Jak zapewnia Liu, jest to prosta droga do supertwardych powłok, które z powodzeniem można stosować nawet w bardzo wymagających warunkach – wysokiego ciśnienia i temperatury. W najbliższym czasie zespół zamierza kontynuować badania, wytwarzając i testując powłoki ochronne na maszyny wysokoobrotowe ze stopów tytanu i niklu.
Źródło: european-coatings.com
