Materialwissenschaften: Härten durch Schockwellen
© Science (Ausschnitt)
Mit Überschall schnellen, starken Schockwellen lassen sich Materialien härten. Das konnten nun Eduardo Bringa und sein Forscherteam vom kalifornischen Lawrence Livermore National Laboratory nachweisen.
Die Wissenschaftler simulierten den Prozess zunächst für nanokristallines Kupfer. Wie die meisten Metalle ist Kupfer polykristallin: Es besteht aus vielen Mikrometer großen so genannten Kristalliten, die durch schmale Korngrenzen aus amorphem Material voneinander getrennt sind. Diese bestimmen zum Großteil die physikalischen Eigenschaften des Stoffes. Bei nanokristallinen Materialien liegen die Korngrößen jedoch – wie der Name bereits andeutet – im Nanometerbereich. Sie sind normalerweise härter, fester und haltbarer als die gewöhnlichen Materialien. Oft weisen sie sogar vergleichbar gute mechanische Eigenschaften auf wie hochlegierte Stähle oder Titan, was sie technisch interessant macht.
Danach bestätigten die Wissenschaftler ihre Simulationen durch Laborversuche mit nanokristallinem Nickel. Dazu setzten sie das Material innerhalb weniger Bruchteile einer Sekunde einem hohen Druck von gut 40 Milliarden Pascal aus, was etwa dem 400 000fachen des normalen Luftdrucks entspricht oder dem Druck einer Wassersäule von vier Millionen Metern Höhe.
Der plötzliche Schock scheint die Korngrenzen des nanokristallinen Materials zu verschieben und zugleich Gitterfehler zu provozieren, was in der Summe zu einer Härtung des Materials führt.
Die Wissenschaftler simulierten den Prozess zunächst für nanokristallines Kupfer. Wie die meisten Metalle ist Kupfer polykristallin: Es besteht aus vielen Mikrometer großen so genannten Kristalliten, die durch schmale Korngrenzen aus amorphem Material voneinander getrennt sind. Diese bestimmen zum Großteil die physikalischen Eigenschaften des Stoffes. Bei nanokristallinen Materialien liegen die Korngrößen jedoch – wie der Name bereits andeutet – im Nanometerbereich. Sie sind normalerweise härter, fester und haltbarer als die gewöhnlichen Materialien. Oft weisen sie sogar vergleichbar gute mechanische Eigenschaften auf wie hochlegierte Stähle oder Titan, was sie technisch interessant macht.
Danach bestätigten die Wissenschaftler ihre Simulationen durch Laborversuche mit nanokristallinem Nickel. Dazu setzten sie das Material innerhalb weniger Bruchteile einer Sekunde einem hohen Druck von gut 40 Milliarden Pascal aus, was etwa dem 400 000fachen des normalen Luftdrucks entspricht oder dem Druck einer Wassersäule von vier Millionen Metern Höhe.
Der plötzliche Schock scheint die Korngrenzen des nanokristallinen Materials zu verschieben und zugleich Gitterfehler zu provozieren, was in der Summe zu einer Härtung des Materials führt.
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