Progettazione di leghe di Cu eccezionalmente resistenti e conduttive oltre la speculazione convenzionale attraverso l'energia interfacciale

Jan 07, 2024

Scientific Reports volume 5, numero articolo: 17364 (2015) Citare questo articolo

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Lo sviluppo di leghe a base di rame con elevate proprietà meccaniche (resistenza, duttilità) e conduttività elettrica svolge un ruolo chiave in un'ampia gamma di applicazioni industriali. La progettazione riuscita dei materiali, tuttavia, è stata rara a causa del miglioramento delle proprietà mutuamente esclusive come convenzionalmente ipotizzato. In questo articolo, dimostriamo che queste proprietà materiali contraddittorie possono essere migliorate simultaneamente se le energie interfacciali di interfacce eterogenee vengono attentamente controllate. Disperdiamo uniformemente le nanoparticelle γ-Al2O3 sulla matrice di Cu e quindi controlliamo la morfologia a livello atomico dell'interfaccia γ-Al2O3//Cu aggiungendo soluti di Ti. È stato dimostrato che il Ti guida in modo drammatico la trasformazione della fase interfacciale da morfologie sferiche molto irregolari a omogenee con conseguente miglioramento sostanziale delle proprietà meccaniche della matrice Cu. Inoltre, il Ti rimuove le impurità (O e Al) nella matrice di Cu formando ossidi che portano al ripristino della conduttività elettrica del Cu puro. Convalidiamo i risultati sperimentali utilizzando TEM ed EDX combinati con calcoli della teoria del funzionale della densità (DFT) dei principi primi, che stabiliscono costantemente che i nostri materiali sono adatti per applicazioni industriali.

I materiali su scala nanometrica hanno dimostrato nuove proprietà che si discostano dalle leggi tradizionali per i materiali sfusi. Gli esempi includono oro di colore rossastro1, metalli nanostrutturati meccanicamente resistenti2, magneti trasparenti3 e superconduttori4. La progettazione di questi materiali prevede la messa a punto di una delle quattro caratteristiche intrinseche: proprietà ottiche, meccaniche, magnetiche ed elettriche.

I dispositivi multifunzionali sono importanti per soddisfare le varie esigenze umane e la complessità ambientale delle condizioni operative. Considerando che i materiali che compongono qualsiasi dispositivo svolgono un ruolo chiave nel determinare l'efficienza complessiva, la progettazione di successo dei sistemi multifunzionali richiede una comprensione fondamentale dell'origine delle proprietà dei materiali e una solida integrazione del singolo materiale in applicazioni ingegneristiche pratiche come l'industria dei semiconduttori e quella automobilistica. .

Tuttavia, la progettazione di materiali con funzionalità multivariata è strettamente limitata dalle leggi convenzionali, soprattutto quando le proprietà desiderate sembrano escludersi a vicenda. Ad esempio, migliorare la resistenza meccanica di una lega di Cu senza sacrificare la conduttività elettrica è un esempio di lunga data del problema. Tradizionalmente, il rafforzamento delle proprietà meccaniche delle leghe metalliche si basava sulla complicata manipolazione della struttura reticolare del materiale base, che inevitabilmente manipola o interrompe il trasporto degli elettroni nella direzione desiderata riducendo la conduttività elettrica e spesso diminuisce la duttilità5,6,7. Due metodi ampiamente utilizzati8,9,10,11,12,13 utilizzano la modifica delle strutture dei grani o l'aggiunta di elementi estranei seguita da trattamenti termici.

In questo articolo dimostriamo le leghe di Cu con eccezionali proprietà meccaniche e conduttività elettrica oltre le restrizioni convenzionali. Il nostro obiettivo è migliorare contemporaneamente la resistenza meccanica e la conduttività elettrica, che sono reciprocamente in conflitto. Su una matrice di Cu sfusa, abbiamo progettato strutture di interfaccia ibride disperdendo uniformemente Al2O3 tramite un processo di ossidazione interna utilizzando ossigeno fornito esternamente. La resistenza meccanica del Cu è stata migliorata attraverso un meccanismo di indurimento della dispersione guidato dai processi di nucleazione e crescita delle particelle di ossido su scala nanometrica. Abbiamo recuperato la conduttività elettrica del Cu che era stato degradato dall'O residuo (rimane all'interno della matrice Cu dalla relazione stechiometrica tra Al e O) attraverso l'aggiunta di Ti. I nostri risultati hanno indicato che il Ti forma vari ossidi come TiO2, TiO e fasi ternarie con Al e O, lasciando impurità minime all’interno della matrice Cu.