Существует множество способов сделать металл прочнее. Можно смешать различные компоненты для жаропрочного, устойчивого к коррозии или магнитного сплава. Есть методы химической обработки, которые упрочняют металл, например азотирование. Давно известны разнообразные технологии закалки и тому подобное.

Сейчас в промышленности растет спрос на легкие и прочные металлы, поскольку производители стремятся к энергоэффективности и экологичности. Снизить вес деталей можно при помощи более легких металлов в составе, например алюминия, но материаловеды ищут возможности сделать наоборот — создать заготовки с пустотами, не потеряв при этом в качестве. Но тут возникает проблема, ведь пустоты — это дефект, который порождает трещины и в целом делает металл хрупким.

На днях в журнале Science группа исследователей из Китая опубликовала статью, где рассказала о новом методе упрочнения золота при помощи отверстий. Специалисты приготовили чистое золото с равномерно распространенными в нем нанопустотами — они образовались после удаления серебряных включений из сплава с помощью коррозии.

3D-реконструкция золота с отверстиями диаметром 45 нанометров. (A) Последовательное секционирование, вокруг реконструируемой области была выкопана U-образная канава, а на поверхность предварительно была нанесена тонкая пленка платины для защиты. Зеленая стрелка указывает направление секционирования. Область, обведенная красным пунктирным квадратом, используется при реконструкции. (B) Изображения сканирующей электронной микроскопии и (C) сегментированные изображения. (D) 3D-структура, созданная на основе изображений, представленных в (C). Масштабные линейки: 500 нанометров / © Science, Jia-Ji Chene et al.

Размер этих пор составлял около 30 нанометров, и чтобы они не ослабили металл, ученые сжимали и нагревали исследуемые образцы при температуре 424,85 °C. Необходимо было спрессовать металл до критической плотности, чтобы пористая структура стала закрытой. После обработки многие пустоты превратились в сферы с минимальным диаметров 18 нанометров.

Чтобы проверить, как изменились механические характеристики золота, материаловеды взяли маленькие образцы с разноразмерными отверстиями (18-180 нанометров в диаметре) и растянули. Выяснилось, что прочность перфорированного золота росла, если средний размер пор был меньше, но при этом все образцы показали себя лучше, чем необработанное золото. Предел текучести пористого металла был почти на 107% выше, а отношение прочности к весу выросло на 118% при добавлении 5% пустот.

Как отмечают исследователи, некоторые образцы с особенно большими порами показали и высокую пластичность вместе с ростом прочности. Основное отличие новой технологии от обычных пористых металлов в том, что отверстия в исследуемом золоте распределены равномерно, что минимизирует концентрацию напряжения в одном месте. И для лучшего укрепления металла поры стоит делать меньше, потому что вместе с ними уменьшаются и области высокого напряжения при нагрузке. Предел находится в районе 101-102 нанометров — прочность при таком диаметре растет без потери пластичности.

Новый подход более научно можно назвать компонентом с нулевой массой. Отверстия могут облегчить металл на 10%, при этом улучшая его физические характеристики. Перфорированное золото можно будет применять в электронике для обработки контактов, но исследователи планируют испытать метод с медью, которая чаще золота используется в таких устройствах.

Источник: https://naked-science.ru/article/hi-tech/poristoe-zoloto