I ricercatori hanno dimostrato come creare una lega di alluminio super resistente che rivaleggia con la forza dell'acciaio inossidabile, un progresso con potenziali applicazioni industriali.

"La maggior parte delle leghe di alluminio leggere sono morbide e hanno una resistenza meccanica intrinsecamente bassa, che ostacola un'applicazione industriale più diffusa, " disse Xinghang Zhang, un professore nella School of Materials Engineering della Purdue University. "Però, molta forza, leghe di alluminio leggere con una resistenza paragonabile agli acciai inossidabili rivoluzionerebbero l'industria automobilistica e aerospaziale."

Una nuova ricerca mostra come alterare la microstruttura dell'alluminio per conferire maggiore resistenza e duttilità. I risultati sono stati dettagliati in due nuovi documenti di ricerca. Il lavoro è stato condotto da un team di ricercatori che includeva il ricercatore postdottorato di Purdue Sichuang Xue e lo studente di dottorato Qiang Li.

Il documento più recente è stato pubblicato online il 22 gennaio sulla rivista Materiale avanzato . Il documento precedente è stato pubblicato a novembre sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

Il nuovo alluminio ad alta resistenza è reso possibile dall'introduzione di "difetti di impilamento, " o distorsioni nella struttura cristallina. Mentre questi sono facili da produrre in metalli come rame e argento, sono difficili da introdurre nell'alluminio a causa della sua elevata "energia di guasto di impilamento".

Il reticolo cristallino di un metallo è costituito da una sequenza ripetuta di strati atomici. Se manca uno strato, si dice che ci sia un errore di impilamento. Nel frattempo, si possono formare i cosiddetti "confini gemelli" costituiti da due strati di faglie sovrapposte. Un tipo di errore di impilamento, chiamata fase 9R, è particolarmente promettente, ha detto Zhang.

"È stato dimostrato che i confini gemelli sono difficili da introdurre nell'alluminio. La formazione della fase 9R nell'alluminio è ancora più difficile a causa della sua elevata energia di guasto di impilamento, "Ha detto Zhang. "Vuoi introdurre sia i nanotwins che la fase 9R in alluminio nanogranato per aumentare la resistenza e la duttilità e migliorare la stabilità termica".

Ora, i ricercatori hanno imparato come ottenere prontamente questa fase 9R e i nanogemelli in alluminio.

"Questi risultati mostrano come fabbricare leghe di alluminio paragonabili a, o anche più forte di, acciai inossidabili, " ha detto. "C'è molto potenziale impatto commerciale in questa scoperta".

Xue è l'autore principale di Comunicazioni sulla natura carta, che è il primo a segnalare una fase 9R "indotta da shock" in alluminio. I ricercatori hanno bombardato pellicole di alluminio ultrasottili con minuscoli microproiettili di biossido di silicio, ottenendo la fase 9R.

"Qui, utilizzando una tecnica di prova di impatto del proiettile indotta da laser, scopriamo una fase 9R indotta da deformazione con decine di nanometri di larghezza, " ha detto Xue.

I test sui microproiettili sono stati eseguiti da un gruppo di ricerca della Rice University, guidato dal professor Edwin L. Thomas, un coautore del documento Nature Communications. Un raggio laser provoca l'espulsione delle particelle a una velocità di 600 metri al secondo. La procedura accelera notevolmente i test di screening di varie leghe per applicazioni di resistenza agli urti.

"Diciamo che voglio vagliare molti materiali in breve tempo, " ha detto Zhang. "Questo metodo ci permette di farlo a un costo di gran lunga inferiore a quello altrimenti possibile".

Li è l'autore principale del documento Advanced Materials, che descrive come indurre una fase 9R nell'alluminio non per shock ma introducendo atomi di ferro nella struttura cristallina dell'alluminio tramite una procedura chiamata magnetron sputtering. Il ferro può anche essere introdotto nell'alluminio usando altre tecniche, come la fusione, e la nuova scoperta potrebbe potenzialmente essere ampliata per applicazioni industriali.

I risultanti rivestimenti in lega di alluminio-ferro "nanotwinned" si sono rivelati una delle leghe di alluminio più resistenti mai create, paragonabile agli acciai altoresistenziali.

"Simulazioni di dinamica molecolare, eseguita dal gruppo del professor Jian Wang presso l'Università del Nebraska, Lincoln, ha mostrato che la fase 9R e i nanograni determinano un'elevata resistenza e capacità di incrudimento e hanno rivelato i meccanismi di formazione della fase 9R in alluminio, " ha detto Zhang. "Capire i nuovi meccanismi di deformazione ci aiuterà a progettare nuovi ad alta resistenza, materiali metallici duttili, come le leghe di alluminio".

Una potenziale applicazione potrebbe essere la progettazione di rivestimenti in lega di alluminio resistenti all'usura e alla corrosione per l'industria elettronica e automobilistica.