Technologie

Szkło wytrzymalsze od stali

Pęknięta szyba
Zdjęcie na licencji CC BY-NC-ND. Autor Ian Britton FreeFoto.com

Pęknięta szyba

Zdjęcie na licencji CC BY-NC-ND. Autor Ian Britton FreeFoto.com

Szkło, z którym mamy do czynienia na co dzień, nie ma zbyt dobrej renomy jeśli chodzi o wytrzymałość. Każdy z nas ma na koncie przynajmniej kilka stłuczonych szklanek, butelek czy słoików. Niektórzy pewnie zaliczyli też szyby w oknach, a właściciele samochodów klną cicho pod nosem, gdy kamień spod kół ciężarówki zostawi ślad na przedniej szybie.

Okazuje się jednak, że szkło jest tak naprawdę bardzo wytrzymałym materiałem. Potrafi przenosić bardzo duże obciążenia. Jego wadą jest tak naprawdę kruchość. Gdy w szklanym elemencie pojawi się mikroskopijny nawet defekt, pod wpływem obciążeń bardzo szybko rozrasta się on prowadząc do całkowitego zniszczenia elementu.

Jak można pozbyć się tej cechy? Wystarczy szkło uczynić bardziej plastycznym!

Na stronach czasopisma Nature Materials opublikowano kilka dni temu wyniki prac nad metalicznym szkłem będącym stopem palladu ze srebrem oraz innymi metalami. Być może skład ten budzi u was pewne zaniepokojenie. Bardzo słusznie. Nowy materiał chociaż z technicznego punktu widzenia jest szkłem (ma budowę amorficzną), nie jest w ogóle przezroczysty. Wykazuje on jednak bardzo dużą wytrzymałość a jednocześnie bardzo małą kruchość. Taka kombinacja jest bardzo trudna do uzyskania.

Czym się różni metaliczne szkło od bardziej pospolitych stopów, takich jak stal? Metale tworzą zazwyczaj strukturę krystaliczną. Ich atomy ułożone są w rodzaj równomiernej siatki. Nic nie jest jednak doskonałe, więc w ramach tej sieci przytrafiają się defekty. Może to być atom innego metalu, brak atomu, albo inna nieregularność. Te defekty sieci krystalicznej są główną przyczyną zmniejszonej wytrzymałości materiałów metalowych. W materiale poddanym obciążeniom, mają one tendencję do przesuwania się. Gromadzą się one wokół mikropęknięć, przez co z jednej strony zapobiegają ich rozrastaniu się, ale z drugiej zwiększają w tych miejscach kruchość materiału.

Szkło ma tzw strukturę amorficzną. Nie znajdziemy tutaj sieci krystalicznej, a więc nie ma też jej defektów. Oznacza to, że nic nie hamuje rozrastania się mikropęknięć. Rozrastają się one i grupują w pasma, które stają się zalążkiem pęknięcia materiału. To niedawna uważano, że ten mechanizm na stałe ograniczy zastosowania szkieł metalicznych, ponieważ zawsze będą one bardziej kruche od stali.

Badacze z California Institute of Technology i Lawrence Berkeley National Laboratory znaleźli jednak przewrotny sposób na obejście tego problemu. W opracowanym przez nich stopie, mikropęknięcia tworzą tak dużą ilość pasm, że paradoksalnie prowadzi to do lokalnego wzmocnienia materiału! Pasma krzyżują się i oddziałują ze sobą. Powstaje w ten sposób swojego rodzaju sieć, która hamuje rozrastanie się pęknięć. Warto przy tym zaznaczyć, że uzyskana w ten sposób odporność na pękanie nie odbyła się kosztem wytrzymałości.

Diagram

Diagram przedstawiający wytrzymałość (oś pozioma) i odporność na pękanie (oś pionowa) rozmaitych materiałów. Omawiany materiał oznaczono gwiazdką. Ilustracja należy do Macmillan Publishers Ltd: Nature Materials, copyright 2011. Opublikowano za zgodą.

Autorzy pracy przewidują, że opracowany przez nich stop znajdzie w pierwszej kolejności zastosowanie w protetyce. Przemawia za tym, poza wytrzymałością i odpornością na pękanie, także nietoksyczność i odporność na korozję. Jako przykład podają protezy dentystyczne. Niestety wysoki koszt produkcji ograniczy zapewne zastosowanie tego materiału w konstrukcji maszyn czy pojazdów.
ResearchBlogging.org

Więcej informacji:
Demetriou MD, Launey ME, Garrett G, Schramm JP, Hofmann DC, Johnson WL, & Ritchie RO (2011). A damage-tolerant glass. Nature materials PMID: 21217693
Print Friendly, PDF & Email

O autorze

Michał Jarosz

Inżynier automatyki i robotyki. Utrzymuje się z projektowania systemów bazodanowych. Dorywczo koordynator badań klinicznych. Członek Association for Computing Machinery. Założyciel i opiekun zespołu obliczeń rozproszonych BOINC@Poland. Na koncie jeden maraton i aspiracje do kolejnych.