USA har, i samarbete med flera universitet, tagit fram en ny metalllegering som kan komma att få stor betydelse inom både industrin och försvaret. Det handlar om en ovanligt värmetålig kopparlegering som behåller sin hållfasthet även vid mycket höga temperaturer. Legeringen består till största delen av koppar, men innehåller också små mängder litium och tantaal.
En ny typ av mikroskopiska kristaller
Hemligheten bakom metallens egenskaper är dess inre struktur. I materialet bildas extremt små kristaller – bara några nanometer stora – som består av en förening av koppar och litium. Dessa kristaller omges av ett exakt två atomlager tjockt skal av tantaal.
– Den här typen av struktur ger materialet stabilitet även vid höga temperaturer, säger forskargruppen bakom projektet.
Kristallernas form och sammansättning gör att de fungerar som ankare i materialet. De förhindrar att atomerna i metallen börjar glida i förhållande till varandra, vilket ofta sker när metaller utsätts för värme. Detta bidrar till att legeringen behåller sin styrka även vid upphettning.
Stark även vid 800 grader
Testresultaten visar att legeringens hållfasthet överskrider en gigapascal – både vid rumstemperatur och vid 800 grader Celsius. Det är ungefär lika starkt som vissa verktygsstål vid normala temperaturer. I kontrast till de flesta metaller börjar den nya legeringen inte mjukna ens efter lång exponering i hetta.
Forskarna har hållit materialet vid 800 grader i över 10 000 timmar – alltså mer än ett år – utan att det tappat sin form eller struktur.
Billigare än superlegeringar
Legeringen innehåller cirka 96,5 procent koppar, 3 procent tantaal och 0,5 procent litium räknat i atomer. Eftersom tantaal är mycket tungt och litium väldigt lätt, blir den sammanlagda massfördelningen ungefär 91,8 procent koppar, 8,1 procent tantaal och 0,05 procent litium.
Trots att tantaal är ett dyrt material är legeringen som helhet betydligt billigare än många andra så kallade supermetaller – särskilt de som baseras på nickel eller volfram.
Potentiella användningsområden
Enligt forskarna kan materialet i framtiden ersätta dyrare legeringar i komponenter som utsätts för höga temperaturer men som inte kräver maximal värmetålighet. Exempelvis skulle legeringen kunna användas i värmeväxlare eller i delar av raketmotorer och hypersoniska missiler.
– Det är osannolikt att legeringen används i de allra hetaste delarna av raketmotorer, men den passar väl för komponenter med lite lägre krav på värmetålighet, säger forskarna.
Användningen ligger dock några år framåt i tiden. Det är inte möjligt att ersätta material i befintliga system rakt av, men vid utvecklingen av nya konstruktioner kan legeringen bli ett intressant alternativ.
En klassisk metall i ny tappning
Att basen för materialet är koppar gör upptäckten extra anmärkningsvärd. Koppar är ett av mänsklighetens äldsta brukade metaller, med historia som sträcker sig över 5 000 år tillbaka. Även idag används det i allt från elledningar till värmeväxlare – nu ser det ut att få en ny roll i avancerad teknik.
Patent och vetenskaplig publicering
Legeringen har fått patentskydd och forskningsresultaten har publicerats i den vetenskapliga tidskriften Science. Försteförfattare till artikeln är B. C. Hornbuckle vid USA:s armé, vilket ofta signalerar ett särskilt praktiskt ansvar i forskningsarbetet.
Projektet har letts av Martin Harmer och Kiran Solanki, båda universitetsprofessorer, tillsammans med Kris Darling från den amerikanska armén.
– Det handlar om ett material med oväntade egenskaper, framtaget genom noggrann kontroll av struktur på atomnivå, sammanfattar forskarna.
Källa: Kauppalehti
