Projeto de ligas de Cu excepcionalmente fortes e condutoras além da especulação convencional via energia interfacial

Jan 07, 2024

Scientific Reports volume 5, Número do artigo: 17364 (2015) Citar este artigo

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O desenvolvimento de ligas à base de Cu com altas propriedades mecânicas (resistência, ductilidade) e condutividade elétrica desempenha um papel fundamental em uma ampla gama de aplicações industriais. O design bem-sucedido dos materiais, no entanto, tem sido raro devido à melhoria das propriedades mutuamente exclusivas, conforme especulado convencionalmente. Neste artigo, demonstramos que essas propriedades materiais contraditórias podem ser melhoradas simultaneamente se as energias interfaciais de interfaces heterogêneas forem cuidadosamente controladas. Dispersamos uniformemente nanopartículas de γ-Al2O3 sobre a matriz de Cu e então controlamos a morfologia em nível atômico da interface γ-Al2O3//Cu adicionando solutos de Ti. É mostrado que o Ti impulsiona drasticamente a transformação de fase interfacial de morfologias esféricas muito irregulares para homogêneas, resultando em aumento substancial da propriedade mecânica da matriz de Cu. Além disso, o Ti remove impurezas (O e Al) na matriz de Cu formando óxidos levando à recuperação da condutividade elétrica do Cu puro. Validamos os resultados experimentais usando TEM e EDX combinados com cálculos de teoria funcional de densidade (DFT) de primeiros princípios, que consistentemente equilibram que nossos materiais são adequados para aplicações industriais.

Os materiais em nanoescala demonstraram novas propriedades que se desviam das leis tradicionais para materiais a granel. Exemplos incluem ouro de cor avermelhada1, metais nanoestruturados mecanicamente fortes2, ímãs transparentes3 e supercondutores4. O design desses materiais envolve o ajuste de uma das quatro características inerentes: propriedades ópticas, mecânicas, magnéticas e elétricas.

Os dispositivos multifuncionais são importantes para atender a vários requisitos humanos e à complexidade ambiental das condições operacionais. Considerando que os materiais componentes de qualquer dispositivo desempenham um papel fundamental na determinação da eficiência geral, o projeto bem-sucedido dos sistemas multifuncionais requer uma compreensão fundamental da origem das propriedades do material e a integração sólida do material individual em aplicações práticas de engenharia, como as indústrias de semicondutores e automobilísticas. .

No entanto, o projeto de materiais com funcionalidade multivariada é estritamente limitado pelas leis convencionais, especialmente quando as propriedades desejadas parecem ser mutuamente exclusivas. Por exemplo, aumentar a resistência mecânica de uma liga de Cu sem sacrificar a condutividade elétrica é um exemplo antigo do problema. Tradicionalmente, o fortalecimento das propriedades mecânicas das ligas metálicas baseava-se na complicada manipulação da estrutura treliçada do material original, que inevitavelmente manipula ou interrompe o transporte de elétrons na direção desejada, reduzindo a condutividade elétrica e frequentemente diminuindo a ductilidade5,6,7. Dois métodos amplamente empregados8,9,10,11,12,13 utilizam a modificação das estruturas dos grãos ou a adição de elementos estranhos seguida de tratamentos térmicos.

Neste artigo, demonstramos ligas de Cu com excelentes propriedades mecânicas e condutividade elétrica além das restrições convencionais. Nosso objetivo é melhorar simultaneamente a resistência mecânica e a condutividade elétrica, que são mutuamente compensadoras. Sobre uma matriz de Cu a granel, projetamos estruturas de interface híbridas dispersando uniformemente Al2O3 por meio de processo de oxidação interna usando oxigênio fornecido externamente. A resistência mecânica do Cu foi melhorada por meio de um mecanismo de endurecimento por dispersão conduzido pelos processos de nucleação e crescimento das partículas de óxido em nanoescala. Recuperamos a condutividade elétrica do Cu que foi degradado pelo O residual (permanece dentro da matriz de Cu a partir da relação estequiométrica entre Al e O) através da adição de Ti. Nossos resultados indicaram que o Ti forma vários óxidos como TiO2, TiO e fases ternárias com Al e O, deixando impurezas mínimas dentro da matriz de Cu.