Vật liệu thủy tinh kim loại dẻo dai hơn kim loại

Các vật liệu thủy tinh kim loại khối đã chứng tỏ có nhiều hứa hẹn về kỹ thuật trong hơn 15 năm qua ,nhưng thường độ dẻo dai của chúng lại rất kém nên khiến chúng giòn và có thiên hướng dễ vỡ. Mới đây, Douglas Hofmann, William Johnson cùng các cộng sự ở Viện Công nghệ California (Caltech, Pasadena, California) đã tìm ra cách để biến đổi cấu trúc của vật liệu thủy tinh kim loại khối làm cho độ dẻo dai của chúng được cải thiện một cách đáng kể.

Các vật liệu thủy tinh kim loại khối (Bulk Metallic Glassy – BMGs) giống như kim loại ở chỗ chúng chứa các liên kết kim loại và có tính dẫn, nhưng các nguyên tử lại có tính chất bất trật tự như thủy tinh. Một cấu trúc bất trật tự không thể chứa các sai hỏng, có nghĩa là BMGs chống chịu lại các trọng tải nặng trước khi bị đứt gãy. Điều này ít nhất đúng khi chúng bị bẻ cong hay bị ép, nhưng khi chúng bị kéo dãn, độ dẻo dai kém của chúng lại không đủ khiến cho chúng nhanh chóng bị đứt gãy. Để cải thiện độ dẻo dai và chống đứt gãy, nhóm nghiên cứu ở Caltech đã bổ sung thêm một số nguyên tố trong quá trình tạo hợp kim thủy tinh kim loại ban đầu, chúng sẽ tạo ra các hạt tinh thể phân tán hay các “nhánh cây” khi chúng bị làm lạnh. Các “nhánh cây” này sẽ đóng vai trò như các rào cản sự phát triển của các dải trượt và hạn chế chúng khỏi mọi sự phát triển dẫn đến đứt gãy.

Hình 1. Cấu trúc của vật liệu quan sát trên ảnh hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao

Để tạo ra tính chất này, nhóm đã bắt đầu từ hợp kim của Titan (Ti), Zirconium (Zr), Niobium (Nb), đồng (Cu) và Beryllium (Be). Bằng cách giữ hợp kim nóng chảy ở nhiệt độ giữa 800oC và 900oC, các tinh thể nhánh cây của Ti, Zr và Nb bắt đầu mọc ra với kích thước lớn. Trong quá trình mọc, một tỉ lệ của Be và Cu trong phần khối còn lại không hình thành các tinh thể sẽ tăng dần. Và nhóm của Caltech đã phát hiện ra rằng khi tỉ phần của Be trong khối đạt khoảng 1/3, tính chất tổ hợp sẽ đạt cân bằng và các tinh thể nhánh cây sẽ không thể lớn hơn được nữa. Và bằng cách bổ sung ít hơn Be vào hợp kim ban đầu, họ có thể tạo ra tỉ lệ pha thủy tinh thấp hơn và lượng lớn hơn các tinh thể nhánh cây. “Điều mà chúng tôi tìm ra là rất đáng chú ý” – Hofmann nói.

Hình 2. So sánh các loại hợp kim dẻo dai với hợp kim mới