パデュー大学の工学研究者らは最近、材料科学の分野で画期的な進歩を遂げ、新しいコバルトアルミニウムナノ積層複合材料の開発に成功した。この材料は、従来の高性能金属の相反する強度と延性の呪縛を完全に打ち破ります。その強度は高張力構造用鋼の最大 10 倍であり、室温でも優れた耐変形性と耐破壊性を備えています。研究結果は、Science Advances誌に正式に掲載されました。

航空宇宙やエネルギーなどの高精度分野では、タービンブレードなどの主要コンポーネントは、曲がり、亀裂、またはクリープを生じさせることなく、極度の高温や厳しい機械的ストレスに耐える必要があります。コバルトやアルミニウムなどの金属間化合物は、その高度な結晶構造により非常に高い融点、耐クリープ性、強度を備えていますが、室温では非常に脆く、ちょっとした外部衝撃で割れてしまうという致命的な弱点があり、実際の製造や応用においては大きな課題となっています。

この業界の問題を解決するために、パデュー大学の研究チームは従来の常識を打ち破り、製造プロセスに原子スケールの欠陥を導入しました。研究者らは、マグネトロンスパッタリング蒸着技術を使用して、材料を合金蒸気から固体膜に直接変換しました。その過程で、彼らはコバルトアルミニウム材料の内部に多数の既存の微細な転位を巧みに埋め込み、アモルファス界面で構成される独自のフレームワークを構築しました。これらのアモルファス柔軟な境界は、外力によって押し出されて変形すると部分的に結晶化し、それによって周囲のコバルトアルミニウム層を活性化し、より多くの転位を誘発します。この微細な設計により、もともと壊れやすい結晶格子に新しいエネルギー吸収と変形メカニズムが与えられます。

ナノメカニカル試験の結果、この新しいコバルトアルミニウムナノ積層材料の降伏強度は驚くべき6ギガパスカルに達し、これは高張力構造用鋼の6～10倍に相当します。同時に、室温圧縮条件下で 15% 以上の塑性ひずみに耐えることができ、永久変形や脆性破壊に対して強い耐性を示します。ヒューストン大学の研究者らは、分子動力学シミュレーションを通じて、このアモルファス界面が圧力下で能動的な塑性変形源として機能し、超高い機械的強度と優れた延性のバランスを完璧に保っていることをさらに確認しました。

研究チームは、この画期的な成果は、金属間化合物の脆さの欠陥を解決する新たな方法を提供するだけでなく、航空宇宙、宇宙探査、最先端のエネルギーおよび防衛分野における先端材料の将来の設計のための強固な基盤を築くものであると述べた。次のステップでは、研究者らは、このナノスケールの構造設計概念を大規模なバルク複合材製造に拡張し、他の脆性金属間化合物系への適用を促進して、より広範な産業用途に向けて超強力で靱性の高い新合金を推進することに取り組む。