Вместе с исследователями из Ульма и Невшателя Эмпа скоро будет изучать образцы материалов на МКС. Речь идет о сверхтвердых и коррозионностойких сплавах из палладия, никеля, меди и фосфора, известных также как «металлические стекла». Также на борту находится высокотехнологичная компания из Ла-Шо-де-Фон, производящая материалы для часовой промышленности.
Он имеет цвет белого золота, но по твердости не уступает кварцевому стеклу и при этом обладает высокой эластичностью. Гладкая поверхность без границ зерен делает материал устойчивым к солям и кислотам. Отдельные изделия, например, медицинские имплантаты, можно изготавливать с помощью 3D-печати, а более крупные серии, например, корпуса часов, изготавливают с помощью литья под давлением. Примерно так описывается материал сновидений, который сейчас исследуют ученые. Речь идет о «металлическом стекле».
В Empa Антония Нильс, руководитель рентгеновского центра Empa, работает с этим таинственным материалом около 15 лет. Ее команда исследует внутреннюю структуру металлического стекла с помощью различных рентгеновских методов и таким образом обнаруживает связи с такими свойствами, как деформируемость или поведение при разрушении. Металлические стекла также являются крепким орешком для профессионалов в области материаловедения: «Чем внимательнее мы рассматриваем образцы, тем больше вопросов возникает», - говорит Антония Нильс. Это еще больше подогревает амбиции исследователей.
Вместе в космос
Через несколько месяцев образец металлического стекла будет исследован в условиях невесомости на международной космической станции МКС. Исследовательская группа при участии Empa подготовила образцы и зарегистрировала их в Европейском космическом агентстве ESA для космического полета. Спецсплав поставляет компания PX Group из Ла-Шо-де-Фона, производящая материалы для часовой промышленности и стоматологической техники. В команду также входят исследователи Маркус Мор и Ханс-Йорг Фехт из Института функциональных наносистем Ульмского университета и Роланд Логе из Лаборатории термомеханической металлургии EPFL в Невшателе.
Производство металлического стекла не очень просто: по сравнению с оконным стеклом, специально подобранные металлические сплавы должны охлаждаться в сто раз быстрее, чтобы атомы металла не объединились в кристалл. решетки. Только когда расплав затвердевает в ударе, он образует стекло. В промышленности тонкие фольги из металлического стекла получают прессованием расплава между быстро вращающимися медными валками. Исследователи иногда отливают свои образцы в формы из твердой меди, которая особенно хорошо рассеивает тепло. Однако более крупные и массивные изделия из металлического стекла этими методами изготовить невозможно.
3D-печать может помочь
Одним из возможных выходов из этой дилеммы является 3D-печать с использованием так называемого порошкового процесса. Мелкий порошок желаемого сплава нагревается лазером в течение нескольких миллисекунд. Металлические гранулы сливаются со своими соседями, образуя своего рода фольгу. Затем сверху наносится тонкий слой порошка, лазер сплавляет свеженанесенный порошок с фольгой под ним, и постепенно из множества кратковременно нагретых зерен порошка создается трехмерная заготовка.
Этот метод требует точной дозировки лазерного импульса. Если лазер прожигает порошок слишком слабо, частицы не сплавляются между собой и заготовка остается пористой. Если лазер горит слишком сильно, он также снова расплавляет нижние слои. В результате многократного плавления атомы могут перестраиваться, образовывать кристаллы - и на этом металлическое стекло заканчивается.
Рентгеновские методы и их необычайное разнообразие
В Рентгеновском центре Empa команда Антонии Нилс уже проанализировала некоторые из этих образцов, полученных в ходе экспериментов по 3D-печати. Однако результаты всегда вызывают новые вопросы. «Есть некоторые указания на то, что механические свойства стекол не ухудшаются, а наоборот, даже улучшаются, если образец содержит мелкие кристаллические фракции», - говорит Нильс. «Теперь мы решаем вопрос о том, насколько велика должна быть эта доля кристаллов в стекле и какой тип кристаллов должен образовываться, чтобы увеличить гибкость или ударную вязкость стекла при комнатной температуре».
Чтобы проследить рост кристаллов в аморфной среде, эксперты Empa используют различные рентгеновские методы. «С помощью излучения с разными длинами волн мы можем кое-что узнать о структуре кристаллических частей, а также определить явления ближнего действия атомов в образце - то есть определить свойства химических связей», - объясняет Нильс. Кроме того, визуализирующий рентгеновский анализ, так называемая микро-КТ, позволяет кое-что узнать о флуктуациях плотности в образце. Это указывает на расслоение фаз и образование кристаллов. Однако разница в плотности между стекловидной и кристаллической областями очень мала. Поэтому требуется детальная обработка изображения, чтобы иметь возможность визуализировать трехмерное распределение кристаллических компонентов.
Параболический полет Airbus
Но тайна, окружающая металлические очки, не может быть полностью решена только с помощью образцов материалов, полученных на 3D-лазерном принтере. «Нам нужно знать, при каких температурах образуются эти кристаллы и как они растут, чтобы использовать это для определения стабильных производственных процессов», - объясняет специалист по рентгеновским исследованиям Нильс. Теплофизические параметры расплава, такие как вязкость и поверхностное натяжение, предоставляют важную информацию. Эксперименты на МКС предлагают идеальные условия для таких анализов. Предварительные эксперименты проходят в параболических полетах.
Уже в 2019 году экспериментально всплыли первые капельки металлического стекла. Специально модифицированный Airbus A310 от Novespace совершил полет в невесомости с образцом материала. На борту находились ученые из Ульма и маленькая капля металлического стекла от компании PX Group из Ла-Шо-де-Фон. Металлическое стекло, которое изучает исследовательская группа, состоит из палладия, меди, никеля и фосфора. В эксперименте TEMPUS (бестигельная электромагнитная обработка в условиях невесомости) стеклянная капля удерживалась во взвешенном состоянии с помощью магнитного поля и нагревалась до 1500 градусов Цельсия с помощью индукции. Во время фазы охлаждения два коротких импульса индукционного тока вызывали колебания светящейся капли. Попытку зафиксировала камера. После приземления образец материала был проанализирован в рентгеновском центре Empa.
Почему МКС дает больше результатов
Оценка видео с параболического полета позволяет сделать выводы о вязкости и поверхностном натяжении капли - важные данные для возможности лучше контролировать производство металлических стекол с определенными свойствами. Однако период невесомости во время полета длится всего 20 секунд - недостаточно для детального анализа. Это возможно только на МКС.
Образец того же материала зарегистрирован для полета в европейском модуле «Колумб» МКС. С 2014 года там установлена электромагнитно-левитационная печь ИСС-ЭМЛ. 18 образцов материала, которые каждый пролетает, автоматически поворачиваются и могут наблюдаться исследователями на Земле через видеопоток. Металлическое стекло из Швейцарии отправляется в космос с очередной партией образцов.
С помощью компьютерного моделирования новых процессов литья
Исследователи хотят создать компьютерную симуляцию плавления на основе гораздо более подробных данных космического полета. Это означает, что все ответы собираются в единую модель путем сочетания экспериментов на Земле и в космосе: При какой температуре какая вязкость и какое поверхностное натяжение? Когда образуются кристаллы какого состава, размера и ориентации? Как эта внутренняя структура материала влияет на свойства металлического стекла? Исходя из всех этих параметров, исследователи вместе с промышленным партнером PX Group хотят разработать производственный метод, чтобы иметь возможность производить желанный материал в определенной форме. В ближайшие несколько лет исследователям материалов во всех вовлеченных командах предстоит еще многое сделать.