Bioinspirerede materialer—Graphen-aktiverede nikkelkompositter

Bioinspirerede ingeniørstrategier er afhængige af at opnå de kombinerede biologiske egenskaber af styrke og sejhed, der er iboende i naturen. Vævsingeniører og materialeforskere sigter derfor efter at konstruere intelligente, hierarkiske biomimetiske strukturer fra begrænsede ressourcer. Som et repræsentativt materiale, naturlig nacre opretholder en murstenstruktur, der tillader mange levedygtige hærdningsmekanismer på flere skalaer. Sådanne naturligt forekommende materialer viser en enestående kombination af styrke og sejhed, i modsætning til noget syntetisk, konstrueret biomateriale.

I en nylig undersøgelse, Yunya Zhang og kolleger ved afdelingerne for Mekanisk og Rumfartsteknik, Materials Science og Atom-Probe Tomography i USA udviklede en bioinspireret Ni/Ni ₃ C-komposit til at efterligne perlemor-lignende murstens-og-mørtelstruktur med Ni-pulvere og grafenplader. De viste, at kompositten opnåede en stigning på 73 procent i styrke med kun et kompromis på 28 procent i duktilitet for at indikere en bemærkelsesværdig forbedring i sejhed.

I undersøgelsen, forskerne udviklede optimeret materiale af grafen-afledt, nikkel- (Ni), titanium- (Ti) og aluminium- (Al)-baserede kompositter (Ni-Ti-Al/Ni) ₃ C-komposit), der bibeholdt en høj hårdhed på op til 1000 °C. Materialeforskerne afslørede en ny metode i arbejdet med at fremstille smarte 2D-materialer og konstruere højtydende metalmatrix-kompositter. Kompositmaterialerne viste en mursten-og-mørtel-struktur via grænsefladereaktioner for at udvikle funktionelt avancerede Ni-C-baserede legeringer til højtemperaturmiljøer. Resultaterne er nu offentliggjort i Videnskabens fremskridt .

Næste generations materialer bør i sagens natur kombinere egenskaber af styrke og sejhed, selvom deres forfølgelse resulterer i et kompromis mellem hårdhed og duktilitet. I konstruerede materialer, et påbegyndt brud kan forplante sig hurtigt uden noget skjold, hvorimod biologiske strukturer kan tillade hierarkiske arkitekturer lavet af ikke-toksiske og begrænsede ressourcer at afvige revneåbning. Et almindeligt eksempel er perlemor eller perlemor, sammensat af aragonit (form af CaCO ₃ ), blodplader og biopolymer. I mursten og mørtel strukturen, aragonitpladerne fungerer som mursten til bærende, og biopolymeren fungerer som en mørtel, der binder aragonitpladerne sammen. Under brud i Nacre, strukturen af ​​mineralbroer kan beskytte revnens åbning, mens biopolymerlag spreder brudenergien for at forhindre delaminering i stor skala.

Materialeforskere forsøgte tidligere at efterligne arkitekturen i nacre med bemærkelsesværdig succes. Imidlertid, den iboende lave plasticitet af anvendte keramik og polymerer, begrænset deres potentielle mekaniske aktivitet. Forskere forventede derfor at klone Nacres arkitektur med stærkere bestanddele såsom metalinkorporerede kompositter, i en mere lovende, men udfordrende opgave. Forskere har tidligere brugt nikkel (Ni) og dets legeringer i forskellige applikationer på grund af kompatibilitet i høje temperaturer og ekstreme miljøer med enestående mekanisk ydeevne og stabilitet. I nærværende arbejde, derfor, Zhang et al. undersøgt, om grafen er aktiveret, højtydende Ni-matrixkompositter med nacre-lignende, mursten og mørtel struktur kunne konstrueres ved hjælp af skalerbare og gennemførlige procedurer.

For det, Zhang et al. dannede først en grafenleveret Ni/Ni ₃ C komposit med en karakteristisk bioinspireret, mursten og mørtel-arkitektur ved hjælp af konventionel pulvermetallurgi. De belagde Ni -pulvere homogent med grafen under forskydningsblanding og frysetørring og opløste kulstof i Ni ved høje temperaturer for at lette sintringsprocessen. Ni ₃ C-blodplader dannet under processen tjente som væsentlige belastningsbærere, styrkelse af kompositterne, mens Ni-matrixen sikrede duktilitet.

På grund af blandingen af ​​forstærknings- og hærdningsmekanismer introduceret i metoden, den endelige prøve viste en forbedret styrke på 73 procent og kun 28 procent reduktion i duktilitet for at forårsage bemærkelsesværdig forbedring af sejheden. Zhang et al. inkluderede derefter titanium (Ti) og aluminium (Al) i den grafen-afledte komposit til dannelse af Ni-Ti-Al/Ni ₃ C som en superlegering. Forskerne foreslår at bruge det 2-D-materialeaktiverede pulver på forskellige materialebestanddele for at skabe muligheder for nye metalmatrix-kompositter.

De udførte derefter test for at undersøge mikrostrukturen og den mekaniske ydeevne af grafenaktiveret Ni/Ni ₃ C-kompositter ved hjælp af energidispersiv røntgenspektroskopi (EDS) og højopløsningstransmissionselektronmikroskopi (HRTEM). They confirmed the composition of the new material and showed that the material did not break during the process of intricate manufacture. The graphene-derived Ni/Ni ₃ C composites showed outstanding mechanical performance, observed using dog bone shaped samples of the composites. The scientists used the combined strength and ductility in the present work to indicate that the bioinspired brick-and-mortar architecture efficiently mitigated the conflict between strength and toughness.

To understand the stiffening, strengthening and toughening mechanisms of the graphene-derived Ni/ Ni ₃ C composite, Zhang et al. conducted nanoindentation studies and obtained the Young's modulus of the material. They showed that the Ni ₃ C platelets enhanced the Young's modulus of the novel material for increased hardness. The resulting structures showing hard and reduced modulus maps to present an alternating hard-soft-structure. Then using atom probe tomography (APT) maps, they showed homogenously dispersed carbon atoms in the nickel matrix.

The graphene-derived Ni/Ni ₃ C composite showed obvious plastic deformation and higher toughness compared with pure Ni, the structural integrity of the new material could deviate cracks to prevent their opening, much like natural nacre. The scientists also showed the appearance of metal bridges for effective crack deflection, where the layered architecture blunted the crack tip, preventing further crack propagation to experimentally prove the brick-and-mortar architecture of Ni/ Ni ₃ C contributing to toughness and ductility without crack induction.

Zhang et al. used Ni alloys due to their outstanding capability to withstand high temperatures and creep resistance. To verify high temperature performance, the scientists added titanium (Ti, 2 percent) and aluminum (Al, 2 percent) into the Ni/graphene powders for sintering. The resulting Ni-Ti-Al/Ni ₃ C composite also showed brick-and-mortar architecture and stripe-like-grains. The earlier Ni/ Ni ₃ C composites maintained a high hardness from room temperature to 300 °C, although afterwards the hardness rapidly decreased. In comparison, the Ni-Ti-Al/Ni ₃ C composite developed thereafter, showed no hardness reduction up to 500 °C. The new composites were relatively smooth at room temperature and showed oxidized surfaces with irregular particles at 1000 °C. Based on the alloy recipes and heat treatments introduced in the study, the scientists propose using the novel composites to engineer the next-generation superalloys for potential temperature elevated applications, including aircraft gas turbines and spacecraft airframes.

På denne måde Zhang and colleagues designed and developed a prototypical graphene-derived Ni/Ni ₃ C composite with nacre-inspired brick-and-mortar architecture. They conducted extensive characterization studies to investigate and understand the material properties of the newly developed composites. The Ni-Ti-Al/Ni ₃ C composite showed superior strength at 1000 °C compared to commercial superalloys. The scientists envision this promising new strategy to design and synthesize advanced, bioinspired materials to achieve exceptionally high mechanical robustness for a wide-range of applications in materials science and multidisciplinary fields.

© 2019 Science X Network