02/01/2018
Door Ad Spijkers
Materiaaldeskundigen van de Ruhr-Universität Bochum kunnen binnen enkele dagen bepalen of een nieuw materiaal onder thermische belastingen stabiel blijft. Dergelijke analyses namen voorheen maanden in beslag.
De methode is in het bijzonder geschikte voor zogeheten hoog-entropische legeringen die sinds enige tijd intensief worden onderzocht. In tegenstelling tot conventionele legeringen bestaan deze niet uit één hoofdelement en enkele andere elementen in lage concentraties, maar ook uit een gelijkwaardig mengsel van meerdere elementen.
Deze legeringen vormen een nieuw onderzoeksgebied voor materialen. Er zijn bijna oneindig veel mogelijke materiaalcombinaties en daarom zijn er goede mogelijkheden om materialen te ontdekken die tot nu toe bekende materialen in bepaalde eigenschappen kunnen overtreffen. Beslissend zou daarbij echter moeten zijn dat de legeringen ook bij thermische of chemische belastingen zoals die tijdens toepassingen optreden, stabiel blijven en niet ongewenst in verschillende bestanddelen uit elkaar vallen. Daarom is de nieuwe methode zo belangrijk: hiermee kunnen legeringskandidaten snel worden getest, en wel op atomair niveau.
Combinatie van methoden
Voordat een nieuw geconcipieerd materiaal tot toepassing kan komen, moet het op verschillende parameteres worden getest, bijvoorbeeld of het bij hoge temperaturen stand houdt of dat het ongevoelig is voor oxidatie. Om deze test zo snel mogelijk te kunnen doorvoeren, ontwikkelden de wetenschappers in Bochum meerdere methoden.
Ze droegen de complexe legering als een laag van slechtse enkele nanometers op op 36 microscopisch kleine naalden. Hiertoe gebruikten ze een opdampmethde waarmee ze vijf metalen tegelijkertijd in een speciale mengverhouding op de naalden aanbrachten. In de aldus opgebrachte lagen kunnen reacties tussen de metalen snel plaatsvinden. De onderzoekers noemen het systeem een combinatorisch verwerkingsplatform.
Miljoenen atomen zichtbaar maken
De onderzoekers onderwierpen de afzonderlijke naalden na elkaar op verschillende belastingen en karakteriseerden na elke belasting met de atoomsondetomografie de samenstelling van de laag. De techniek maakt het mogelijk vele miljoenen atomen en hun driedimensionale rangschikking zichtbaar te maken en de verschillende elementen van elkaar te onderscheiden.
De analyse met de atoomsonde vernielt het proefstuk op de onderzochte plaats. Met elke meting wordt dus tenminste één gecoate naald op de plaat verbruikt. Omdat echter in totaal 36 identieke naalden bechikbaar waren, konden de wetenschappers veel tests achter elkaar uitvoeren.
Zo verhitten ze het proefstuk bijvoorbeeld in de eerste stap tot een bepaalde temperatuur, testten dan met de atoomsonde de daardoor opgetreden in de legering. Vervolgens verhitten ze het proefstuk tot een hogere temperatuur, testten wederom de legering, enzovoorts.
Op deze manier konden ze bijvoorbeeld zeer snel aantonen dat de onderzochte legering vanaf 300°C in meerdere verschillende fasen uiteenvalt. Ze konden aldus echter ook de oxidatiegevoeligheid of de reactie in verschillende omgevingsmedia testen. Uit de omvangrijke hoeveelheid data en nieuwe benaderingen voor visualisering voor deze data kan sneller een beter begrip van de fase-evolutie in complexe legeringen ontstaan.