Material som trivs i hetluften

Ytbeläggningar för industriverktyg och elektronik ska tåla uppåt 1000 graders värme och helst bli hårdare ju mer de hettas upp. Men vad är det egentligen som händer? Studier på atomnivå av ett forskarteam vid Linköpings universitet visar att närbesläktade metaller kan uppträda helt olika när temperaturen höjs till kritiska nivåer. Resultaten får stor betydelse vid design av nya material.

Titan-aluminium-nitrid (TiAlN) är ett välkänt material och mycket användbart i bland annat skärverktyg eftersom det behåller sin hårdhet, eller till och med blir hårdare, vid temperaturer kring 800 grader. Tidigare användes titannitrid som bara klarade 500 grader. Tillskottet av aluminium gjorde susen den gången, och nu demonstrerar LiU-forskarna ett alternativ med ännu bättre egenskaper.

Carina Höglund, tunnfilmsfysiker, och Björn Alling, som ägnar sig åt teoretisk materialfysik, bytte ut titan mot skandium - även det en så kallad övergångsmetall och titanets närmaste granne i periodiska systemet. Resultaten publiceras i den ansedda tidskriften Physical Review B där deras artikel lyfts fram som ett ”Editor’s suggestion”.

TiAlN hör till de moderna material som bara kan framställas med tunnfilmsteknik, där de byggs upp atomlager för atomlager i en vakuumkammare. I kammaren finns en bit av vardera metallen, som bombarderas med argonjoner för att slå loss atomerna. Samtidigt blåser man in en dimma av kvävgas. De tre atomslagen titan, aluminium och kväve kondenserar på en yta, medan argon som är en ädelgas inte blandar sig med de andra. Resultatet blir en film av det nya materialet, cirka 500 atomlager i tjocklek.

Äldre tiders materialforskning byggde helt på experiment. Man smälte ihop olika metaller för att se vad som hände, koppar och tenn blev brons, järn och krom blev rostfritt stål och så vidare. Men om man vill blanda tre eller fyra grundämnen så blir antalet möjliga kombinationer snabbt för stort och experimenten alltför vidlyftiga. Här kommer den teoretiska materialfysiken in i bilden. Den dialektiska processen mellan beräkningar och experiment har skapat nya möjligheter för materialutveckling, särskilt sedan datorerna blev tillräckligt kraftfulla för att klara av även de värsta ekvationer.

Därför visste Carina Höglund redan en del av vad som väntade när hon for till Grenoble och den europeiska synkrotronanläggningen för att undersöka sina materialprover in på bara skinnet. Synkrotronljus är en röntgenstrålning med mycket hög intensitet som gör det möjligt att följa ”live” vad som händer när materialen hettas upp till de kritiska nivåerna.

När temperaturen i titanmaterialet nådde 800-1000 grader strävade de olika atomslagen efter att sära på sig och legeringen föll sönder. I skandiumlegeringen började det hända saker först vid 1000-1100 grader: skandium och aluminium delade upp sig i olika skikt men de olika atomerna hakade fortfarande i varandra, vilket troligen ökar hårdheten.

- Nästa steg är att göra en hårdhetsmätning, men det går inte att göra på våra tunna filmer. Vi tror ändå att våra resultat öppnar en ny väg för design av framtida material för hårda ytbeläggningar och elektronik, säger Carina Höglund.

Men att just skandium, upptäckt av svensken Lars Fredrik Nilson 1879, kommer att slå igenom som komponent i nya material är knappast troligt. Metallen som idag bara används i speciella legeringar i flygplan är svårtillgänglig och dyrbar. I hela världen utvinns bara 10 kg per år.

Artikel: Effects of volume mismatch and electronic structure on the decomposition of ScAlN and TiAlN solid solutions av C.Höglund, B. Alling, J. Birch, M. Beckers, P.O.Å. Persson, C. Baehtz, Zs. Czigány, J. Jensen och L. Hultman, Physical Review B 81, 2 juni 2010. Editor’s suggestion.
http://prb.aps.org/abstract/PRB/v81/i22/e224101

Kontakt:
Carina Höglund 013-281281, carina@ifm.liu.se
Björn Alling 013-285604, bjoal@ifm.liu.se