Ekstremt stærk nano-twinned ren nikkel med ekstrem fin tvillingtykkelse

I en ny rapport vedr Videnskabens fremskridt , Fenghui Duan og et forskerhold i Kina detaljerede løbende styrkelse af nanotvindede rene nikkelmaterialer. Materialet registrerede en hidtil uset styrke på 4,0 GPa ved ekstremt fin tvillingtykkelse, 12 gange stærkere end konventionel grovkornet nikkel. Teorier foreslår forskellige mekanismer til blødgøring af nanokornede metaller. Kontinuerlig forstærkning kan forekomme i nanotvindede metaller med ekstrem fin tvillingtykkelse for at opnå ultrahøj styrke. Det er udfordrende at eksperimentelt verificere denne hypotese, mens man regulerer syntesen af ​​nanotvindede metaller med en tykkelse under 10 nm. I dette arbejde, holdet udviklede søjleformet kornet nanotvindet nikkel med tvillingtykkelser fra 2,9 til 81 nm, ved hjælp af jævnstrømselektrodeposition for at vise processen med kontinuerlig styrkelse. Duan et al. brugte transmissionselektronmikroskopi (TEM) til at afsløre egenskaberne for styrkelse og krediterede resultaterne til materialets fine afstandsarkitektur.

Mikrostruktur af det udviklede nanotvindede nikkel

Bulk-nikkelprøverne opretholdt en høj renhed og indeholdt en høj tæthed af nanoskala tvillinglameller indlejret med nanoskala søjleformede korn syntetiseret ved brug af jævnstrøms elektroaflejring i et citratbad. Holdet regulerede indholdet af nikkel og citration i elektrolytten for at forfine den gennemsnitlige tvillingtykkelse. Materialet viste en snæver fordeling fra 0,5 til 15 mm. Forskerne brugte forstørrede mikrofotografier til at observere detaljer i materialerne og bruge røntgendiffraktionsmønstre, de bemærkede en ud-af-planet krystallografisk tekstur, i overensstemmelse med resultaterne af transmissionselektronmikroskopi.

Mekanismer for materialeudvikling og -forstærkning.

Forskerne brugte derefter elektroaflejring som en ikke-ligevægtsproces til den udbredte dannelse af rent nikkel. De stressafslappede nanovindede metaller var energimæssigt mere stabile end de stærkt belastede aflejringer. Det lavere koncentrationsforhold mellem citrat og nikkelion resulterede i højere indre trækspænding. Holdet tilføjede også brint for at fremme tvillingkernedannelse. For at forstå materialets mekaniske egenskaber, de udførte enaksede kompressionstest på mikrosøjler med en diameter på 1,3 mikron i skala. Spændings-tøjningskurverne indikerede, at materialet med en mindre tvillingtykkelse var stærkere, viser, at den styrkende adfærd stadig er funktionel selv med en raffineret tvillingtykkelse.

Udviklingen af ​​mikrostrukturen og styrkende mekanismer.

For at forstå de mekanismer, der er ansvarlige for kontinuerlig styrkelse, Duan et al. karakteriseret materialets mikrostruktur. For at opnå dette, de brugte en plastikbelastning på tre procent på materialeregionen og bemærkede den konsekvent høje tæthed af nanotwins på trods af deformation, svarende til dens struktur før fremkaldelse af plastisk belastning. Dette indikerede en høj stabilitet af nanotwins i materialet, en egenskab, der opstod fra undertrykt aktivitet af twinning partielle dislokationer. Materialets høje stablingsenergi spillede derfor en vigtig rolle for at hindre afvindingsprocessen af ​​materialet. Duan et al. yderligere undersøgte interaktionerne ved hjælp af transmissionselektronmikroskopi og bekræftede styrkelsesmekanismerne af det nanovindnede nikkelmateriale, såvel som de sekundære nanotwins, der er iboende til materialet, hvilket gav den ekstra styrke.

Outlook i materialekemi

På denne måde Fenghui Duan og kolleger viste, hvordan sekundære nanotwins eller hierarkiske nanotwins kan dannes i metaller eller legeringer. Forskere havde tidligere udviklet nukleation og vækst af sekundære tvillinger og beregnet den kritiske flydespænding for tvillingekernedannelse i prøven. Baseret på modellen, de fandt eksistensen af ​​en overgang i forstærkningsmekanismen for nanovindet nikkel i en ekstremt fin tvillingtykkelse. Holdet viste, hvordan det nanotvindede nikkel opnåedes via jævnstrøms elektroaflejring med sin ekstremt fine tvillingtykkelse, udviste en styrke, der er større end ren nikkel, afledt af kontinuerlig forstærkning af tvillingtykkelsen.

© 2021 Science X Network