Упругость нового сплава не зависит от температуры
Ученые из Городского университета Гонконга открыли новый аномальный сплав: его упругие свойства не зависят от температуры. Сплав, называемый элинваром, сохраняет свою прочность даже при 1 000 °С. Этот материал может быть использован для изготовления высокоточных устройств, используемых в космических миссиях. Результаты работы опубликованы в журнале Nature.
Модуль упругости, который характеризует жесткость материала, у большинства твердых тел, в том числе у металлов, уменьшается с ростом температуры. Проще говоря, металлы расширяются и смягчаются из-за нагрева. Однако существуют сплавы, упругие свойства которых мало зависят от температуры. Одним из них является элинвар — Co25Ni25(HfTiZr)50.
Гонконгские ученые обнаружили этот сплав совершенно случайно и потратили несколько лет на то, чтобы понять его свойства. Его модуль упругости не зависит от температуры. Когда этот сплав нагревали до 1 000 К (726,85 °С), он оставался таким же или даже более прочным, чем при комнатной температуре. При этом он расширяется без заметных фазовых переходов и без диссипации (рассеивания) энергии. Сплав был нечувствителен даже к отжигу при 1 273 К (1 000 °С) в течение разных промежутков времени. Ранее в ученом сообществе не сообщалось о других металлах с подобными свойствами.
Исследователи также смогли определить предел упругости своего сплава — максимальное напряжение, которое не вызывает необратимой деформации материала. При комнатной температуре предел упругости сплава составил 2%. Для сравнения, предел упругости других распространенных кристаллических сплавов обычно меньше 1%.
Составив атомную модель микроструктуры сплава и изучив его механические свойства, исследователи смогли объяснить странное поведение материала. Причина кроется в его искаженной кристаллической структуре и сложном химическом составе. Структура материала обуславливает высокий энергетический барьер, который препятствует сдвигу атомов. В результате этого сплав характеризуется высоким пределом упругости, практически стопроцентной энергоемкостью и высокой энтропией.
«При использовании упругих материалов не происходит диссипации энергии и, следовательно, не вырабатывается тепло, из-за которого некоторые устройства могут сбоить. Именно поэтому этот суперупругий сплав может быть использован в высокоточных устройствах, таких как часы и хронометры. Например, известно, что на поверхности Луны температура может меняться от -232 °С до 122 °С. Этот сплав даже в экстремальных условиях останется прочным и не повредится. Поэтому он бы хорошо подошел для создания механических хронометров, которые сталкиваются с разными температурными условиями во время космических миссий», — рассказал профессор Ян Юн, руководитель исследования.