an area indicating a self healed microcrack is directed to the surface

Metallisk glas kan reparere sig selv

torsdag 28 nov 19

Kontakt

Marcel A. J. Somers
Sektionsleder, Professor, Dr.ir.
DTU Mekanik
45 25 22 50

Forskergruppen

Forskergruppen består udover Marcel Somers af PhD studerende Saber Haratian, lektor Thomas L. Christiansen, seniorforsker Matteo Villa og laboratorieteknikker Flemming Grumsen.

Forskere på DTU har opdaget en overraskende ny egenskab ved metallisk glas, nemlig at det er i stand til at reparere sig selv.

Metallisk glas er en blanding af forskellige metaller, for eksempel zirkonium, kobber, nikkel og aluminium. Metallisk glas anvendes bl.a. til professionelt sportsudstyr som golfkøller og tennisketsjere og til medicinsk udstyr, eksempelvis operationsinstrumenter, hvor materialets høje styrke er afgørende.

Glastilstanden opnås ved først at gøre metallerne flydende og derefter lynhurtigt køle dem ned. Ved opvarmningen mister metallerne deres krystalstruktur, og i den flydende tilstand opnås en tilfældig, amorf, fordeling af atomerne, som bibeholdes ved hurtig nedkøling. Teknisk set ender metalblandingen dermed som glas, det vil sige amorft faststof.

Metallisk glas har i princippet en høj styrke, men er forholdsvis sprødt, dog ikke helt så sprødt som eksempelvis vinduesglas.

”Metallisk glas har nogle spændende egenskaber, så hvis vi kan gøre dets overflade hårdere og mere modstandsdygtig for revnedannelse, vil det helt klart være interessant at anvende til flere formål, end vi ser i dag,” siger professor Marcel Somers, DTU Mekanik, der står i spidsen for DTU’s andel af et større forskningsprojekt om forskellige typer glas, som er støttet af Villum Fonden.

Ønske om stærkere overflader

Marcel Somers forskergruppe havde en formodning om, at overfladen af metallisk glas kunne gøres hårdere og mere resistent over for revnedannelse. Deres hypotese var, at tilsætning af iltatomer i overfladen ved oxidering ville øge hårdheden og opbygge trykspændinger i overfladen, som sikrer, at materialet tåler en højere belastning, inden det begynder at revne.

”Metallisk glas indeholder blandt andet zirkonium, der meget gerne vil samle iltatomer omkring sig. Vi opvarmede derfor det metalliske glas til en forholdsvis lav temperatur, hvor glasfasen kunne bibeholdes, og tilførte en gas med et kontrolleret indhold af ilt. Derefter kunne ilten trænge ind i det metalliske glas,” siger Marcel Somers.

”Iltning” af materialet overraskede

Forskerne opdagede i den proces noget meget overraskende, nemlig at det metalliske glas ikke blot som forventet udvidede sig på grund af iltoptaget og blev hårdere. Men også at små krystaller af rent sølv og kobber fra materialet blev dannet på overfladen. Når der opstod små revner på grund af materialets udvidelse ved iltindsætningsprocessen, så opstod disse kobber- og sølvkrystaller inde i selve revnerne og ”forseglede” effektivt revnen. Materialet fik dermed en selvreparerende effekt.

”Den selvreparerende effekt var en stor overraskelse for os. Den er videnskabelig set yderst spændende og ikke noget, man ofte ser, hvilket den store interesse fra fagfæller inden for området også afspejler. En ulempe ved behandlingen er dog, at den gør den inderste del af materialet, som forbliver glas, relativt sprødt, så det let kan gå i stykker” siger Marcel Somers.

Næste skridt for forskerne bliver derfor at undersøge, om de kan genvinde de oprindelige egenskaber i kernen ved en såkaldt ’foryngelse’ af materialet. Forskere fra Cambridge Universitet har påvist, at en sådan ’foryngelse’ kan opnås ved at nedkøle det metalliske glas til meget lave temperaturer.

”Lykkes det, står vi med et meget unikt materiale, som kan betyde et gennembrud i anvendelsen af metallisk glas,” siger Marcel Somers, der nævner, at bl.a. Apple har udvist interesse for overfladehærdning af metallisk glas til anvendelse i smartphones.

Forskerne på DTU håber at kunne fortsætte arbejdet i samarbejde med bl.a. Nanyang Teknologiske Universitet i Singapore, der også besidder stor ekspertise inden for denne gren af materialeforskning.