Nytt recept för hårda material

Hårda och superhårda material har stort industriellt intresse för att belägga till exempel skärande verktyg med ett tunt och nötningsstarkt ytskikt. Diamantens hårdhet är den stora utmaningen för materialforskarna. Tidigare i år fick en grupp forskare i Uppsala internationell uppmärksamhet för studier av titandioxid av en viss struktur som visar sig vara nästan lika hård som diamant. Nu redovisar en delvis annan forskargrupp teoretiska beräkningar som visar på en annorlunda väg att skapa material med mycket stor hårdhet.

Intresset har hittills varit inriktat mot multilagerstrukturer där man till exempel varvar koppar och nickel eller järn och platina. Med ett keramiskt multilager sammansatt av titaniumnitrid. och nobiumnitrid kan man uppnå en hårdhet motsvarande 50 enheter på en skala där diamanten satts till 100 enheter. När ett material utsätts för yttre tryck så börjar dislokationer, dvs. imperfektioner, i materialet att röra på sig. Detta leder slutligen till att materialet går sönder. Dock kan man begränsa dessa rörelser genom att införa gränsskikt mellan olika atomstrukturer i materialet.

Genom en idé, som sprungit fram ur tidigare forskning om så kallade övergångsmetallkarbider, presenterar nu forskarna Håkan Hugosson, Ulf Jansson, Börje Johansson och Olle Eriksson beräkningar och bedömningar som visar att det skulle vara möjligt att genom ett visst blandningsförhållande i en legering få fram strukturer som minimerar dislokationsrörelsen i materialet. I stället för skikt av olika ämnen kan man föreställa sig skikt av samma ingående ämnen men med olika atomstruktur. Poängen är att gränsen mellan två atomstrukturer spärrar vägen för en atom som vill flytta på sig.

De teoretiska beräkningarna för några olika legeringskombinationer, som forskarna vid Avdelningen för den kondenserade materiens teori och Institutionen för materialkemi nu presenterar, visar att ett blandningsförhållande av exempelvis nära fifty-fifty av molybden och niob är optimalt. En kvalificerad gissning är att man legeringsvägen kan uppnå en hårdhet åtminstone motsvarande andra keramiska multilager, alltså kring 50 enheter på hårdhetsskalan.

Fördelen ur industriell synpunkt med att arbeta med en legering är att man möjligen kan maximera mängden gränsskikt mellan olika strukturer på ett enkelt sätt, inte behöver byta legeringar samt att man troligen får mindre problem med vidhäftning mellan olika lager. Det är också enklare processtekniskt att arbeta med en kemisk förening i stället for flera. Nu kommer de lovande teoretiska beräkningarna att prövas i experimentella studier av en grupp forskare vid Uppsala och Linköpings universitet. Den här idén att utveckla hårda material har Uppsalaforskarna nu patentsökt i samarbete med Forskarpatent i Uppsala AB.

För ytterligare information, kontakta Håkan Hugosson, telefon 070 237 71 59, e-post hakan.hugosson@fysik.uu.se eller Olle Eriksson, 018-471 36 25, e-post Olle.Eriksson@fysik.uu.se