Mesin jet tidak kenal ampun. Mereka menuntut material yang tahan terhadap panas dan gaya tanpa bengkok, retak, kehilangan bentuk, atau berubah bentuk secara perlahan karena tekanan.
Tangkapannya? Kandidat terkuat seringkali terlalu rapuh.
Insinyur Universitas Purdue baru saja menentang aturan ini. Mereka mendesain ulang aluminium kobalt (CoAl) pada skala nano. Hasilnya adalah kobalt aluminium nanolaminate yang 10 kali lebih kuat dibandingkan baja struktural berkekuatan tinggi.
Dan itu tidak pecah seperti kaca.
Diterbitkan di Science Advances, temuan ini menawarkan jalan baru untuk membuat intermetalik yang terkenal rapuh dapat digunakan di ruang angkasa dan pertahanan.
Sifat Rapuh Intermetalik
Senyawa intermetalik mengandung dua atau lebih logam yang tersusun dalam kisi kristal yang sangat teratur. Keteraturan itu menciptakan kekuatan. Hal ini juga menciptakan titik leleh yang tinggi dan ketahanan terhadap mulur—deformasi yang lambat di bawah tekanan jangka panjang.
Ciri-ciri ini sempurna untuk mesin jet, turbin gas, dan sistem energi. Namun kekakuan atom adalah masalahnya.
Kebanyakan intermetalik tidak dapat ditekuk. Sebaliknya, mereka patah. Hal ini terutama berlaku pada suhu kamar.
“Di antara aplikasi lainnya, bahan ini berpotensi diterapkan pada bilah turbin generasi mendatang untuk mesin pesawat… Paduan logam berkekuatan tinggi yang dapat berubah bentuk secara plastis dapat membuat mesin berputar lebih cepat sambil mempertahankan gaya sentrifugal yang lebih tinggi.” – Xinghang Zhang
Batubara merupakan contoh dilema ini. Ini cukup kuat untuk komponen yang menuntut. Namun kerapuhannya membuat pembuatan bentuk yang rumit hampir tidak mungkin dilakukan dan membuatnya rentan terhadap tekanan mekanis yang tiba-tiba.
Cacat Rekayasa pada Tujuan
Untuk memperbaiki kerapuhan, Anda biasanya berpikir untuk mengurangi kekurangannya. Di sini, para peneliti melakukan hal sebaliknya.
Dalam kristal sempurna, atom mengikuti pola geometris yang ketat. Dislokasi—gangguan mikroskopis—biasanya dilihat sebagai suatu cacat. Namun pada logam, dislokasi memungkinkan atom-atom meluncur melewati satu sama lain. Hal ini memungkinkan material berubah bentuk tanpa pecah.
Batubara tidak memiliki dislokasi bergerak pada suhu kamar. Upaya sebelumnya untuk meningkatkan plastisitasnya dengan mengubah komposisi atau mencampur bahan gagal memberikan hasil yang signifikan.
Tim Purdue mengambil jalur berbeda.
Mereka membangun dislokasi langsung ke dalam material selama pembentukan. Mereka juga menciptakan jaringan “antarmuka amorf”. Ini adalah batas tipis di mana atom tidak memiliki susunan teratur seperti yang ditemukan dalam kristal.
Mengapa Antarmuka Amorf Penting
Batas-batas fleksibel ini tidak hanya berfungsi sebagai lapisan Batubara yang terpisah.
Selama deformasi, sebagian antarmuka amorf ini mengkristal sebagian. Proses ini memicu terciptanya dislokasi baru. Dislokasi tersebut memberikan lebih banyak cara bagi lapisan Batubara di sekitarnya untuk menyerap dampak.
“Kami merancang kerangka antarmuka amorf… batas fleksibel pada material untuk fleksibilitas struktural… yang mendorong nukleasi dislokasi.” – Xinghang Zhang
Ke Xu, penulis pertama studi tersebut, mencatat bahwa pendekatan ini menawarkan alternatif untuk meningkatkan kemampuan deformasi plastis pada Batubara. Antarmuka bertindak sebagai sumber plastisitas aktif. Mereka membantu material merespons tekanan, bukan sekadar retak di bawahnya.
Kekuatan Hasil Dibandingkan dengan Baja Struktural
Jumlahnya sangat mencengangkan.
Nanolaminasi mencapai kekuatan luluh 6 GPa (gigapascal). Sebagai gambaran, baja struktural berkekuatan tinggi biasanya berkisar antara 0,4 GPa dan 0,5 GPa. Paduan baru ini kira-kira 6 hingga 10 kali lebih kuat.
Kekuatan luluh mengukur seberapa besar tegangan yang dapat diterima suatu material sebelum berubah bentuk secara permanen.
Namun, meskipun memiliki kekuatan yang ekstrem, nanolaminate CoAl mampu menahan 15% regangan plastik saat dikompresi pada suhu kamar. Hal ini dapat mengalami deformasi permanen yang signifikan. Tidak serta merta patah.
“Kombinasi antara kekuatan mekanik yang sangat tinggi dan plastisitas yang luar biasa menjadikan sistem Nanolaminasi CoAl saat ini sebagai salah satu Sistem Intermetalik Terbaik yang dilaporkan hingga saat ini.” – Ke Xu
Membuat Bahan Dari Uap
Bagaimana cara membuat ini? Pengecoran tradisional melelehkan logam dan membiarkannya mengeras. Itu tidak akan berhasil di sini.
Tim menggunakan deposisi sputtering magnetron.
Atom dilepaskan dari bahan sumber sebagai uap. Mereka disimpan sebagai film tipis ke permukaan lain. Pendekatan “ketidakseimbangan” ini memungkinkan material terbentuk langsung dari uap.
Metode ini menjebak sejumlah besar dislokasi di dalam Batubara. Hal ini juga menciptakan batas-batas aluminium-kobalt amorf yang penting. Pengecoran tradisional tidak dapat mencapai kombinasi fitur khusus ini.
Menonton Deformasi secara Real-Time
Teori berguna. Bukti memerlukan observasi.
Para peneliti memampatkan materi di dalam mikroskop elektron pemindai. Pengujian di tempat ini memungkinkan mereka mengamati perubahan mikroskopis saat CoAl berubah bentuk.
Simulasi mendukung visual. Anand Mathew, profesor Universitas Houston, mahasiswa Yashashree Kulkarni, menjalankan model dinamika molekuler. Data menunjukkan antarmuka amorf mengkristal di bawah tekanan. Hal ini melepaskan dislokasi ke lapisan Batubara yang berdekatan.
Eksperimen tersebut mengkonfirmasi apa yang disarankan oleh simulasi: antarmuka ini secara aktif membantu deformasi plastis. Mereka memperkuat kemampuan material untuk menangani tekanan tanpa mengorbankan kekuatan bawaannya.
Melampaui Skala Nano
Saat ini, nanolaminasi CoAl ini merupakan sistem film tipis. Ini belum merupakan bilah turbin massal.
Langkah selanjutnya adalah penskalaan. Para peneliti bertujuan untuk mentransfer konsep struktural ini ke nanokomposit CoAl yang lebih besar yang mampu digunakan dalam industri manufaktur.
Mereka juga berencana untuk menguji konsep “kerangka antarmuka amorf” pada intermetalik lainnya. Jika ia bertahan pada senyawa yang berbeda, hal ini memberikan strategi yang dapat digeneralisasikan untuk meningkatkan plastisitas pada seluruh kelas logam ini.
“Intermetalik ulet secara signifikan meningkatkan kemampuan kami dalam merancang material canggih untuk aplikasi dirgantara, energi, dan pertahanan.” – Xinghang Zhang
Daripada memaksakan pilihan antara kekuatan dan deformabilitas, para insinyur mungkin akan segera dapat merekayasa keduanya. Dengan mengendalikan di mana cacat terbentuk dan bagaimana batas bereaksi, kita akhirnya dapat membuka kunci logam yang sebelumnya dianggap tidak dapat digunakan.
Referensi:
“Plastisitas dalam intermetalik rapuh yang dimungkinkan oleh kerangka Antarmuka amorf dan dislokasi yang sudah ada sebelumnya” oleh Ke Xu, Anand Matheth, Zhongxia Shang, Debarga Paul, Xuanyu Sheng, Haiyan Wang, Yashase Kulkarni dan Xinghng Zhang, 17 26 Juni, Kemajuan Sains.
DOI: 10.112/sciadv.ab0076
Pendanaan disediakan oleh program National Science Foundation Logam dan Struktur Nano Logam.
