Nanokrystaller ikke små nok til at undgå defekter

(Phys.org)—Nanokrystaller som beskyttende belægninger til avancerede gasturbine- og jetmotorer får stor opmærksomhed for deres mange fordelagtige mekaniske egenskaber, herunder deres modstand mod stress. Imidlertid, i modsætning til computersimuleringer, den lille størrelse af nanokrystaller beskytter dem tilsyneladende ikke mod defekter.

I en undersøgelse udført af forskere med det amerikanske energiministerium (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og samarbejdspartnere fra flere institutioner, nanokrystaller af nikkel udsat for højt tryk fortsatte med at lide dislokationsmedieret plastisk deformation, selv når krystallerne kun var tre nanometer store. Disse eksperimentelle resultater, som blev udført ved Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS), en førende kilde til røntgenstråler og ultraviolet lys til videnskabelig forskning, viser, at dislokationer kan dannes i de fineste nanokrystaller, når der påføres stress.

"Vi kan ikke ignorere eller undervurdere rollen af ​​dislokationer – defekter eller uregelmæssigheder – i fine nanokrystaller, da ekstern stress kan ændre hele billedet, " siger Bin Chen, en materialeforsker fra ALS Experimental Systems Group, der ledede denne forskning. "Vores resultater viser, at dislokationsmedieret deformation fortsætter til mindre krystalstørrelser end forventet, primært fordi computermodeller ikke har taget tilstrækkeligt hensyn til virkningerne af ekstern stress og korngrænser."

Chen er hovedforfatter og korresponderende forfatter til et papir i Videnskab beskriver dette arbejde. Papiret har titlen "Texture of Nanocrystalline Nickel:Probing the Lower Size Limit of Dislocation Activity." Medforfatter af dette papir var Katie Lutker, Selva Vennila Raju, Jinyuan Yan, Waruntorn Kanitpanyacharoen, Jialin Lei, Shizhong Yang, Hans-Rudolf Wenk, Ho-kwang Mao og Quentin Williams.

Plastisk deformation er en permanent ændring i formen eller størrelsen af ​​et materiale som følge af en påført belastning. Sandsynligheden for plastisk deformation øges med tilstedeværelsen af ​​dislokationer – defekter eller uregelmæssigheder – i materialets struktur. De fleste materialer er lavet af små krystaller, kaldet "korn, " og hvad der sker ved grænserne mellem disse korn er afgørende for materialeegenskaber. Baseret på computersimuleringer og elektronmikroskopianalyse, troen har været, at dislokationsmedieret plastisk deformation bliver inaktiv under en kornstørrelse på mindst 10 nanometer, og muligvis så stor som 30 nanometer.

"Idéen var, at under en kritisk længdeskala, dislokationsmedieret deformationsaktivitet ville give plads til korngrænseglidning, diffusion, og kornrotation, " siger Chen. "Men der var mange uafklarede spørgsmål med hensyn til, om plasticitet i ultrafine nanokrystallinske korn stadig kunne genereres af dislokationer, og hvordan tryk kunne påvirke deformationsregimerne."

For at undersøge kornstørrelse og trykeffekter på plastisk deformation af nanometaller, Chen og hans kolleger brugte ALS Beamline 12.2.2, en superledende bøjningsmagnetstrålelinje, der understøtter radiale diamant-ambolt-celle røntgendiffraktionseksperimenter. Chen og hans medforfattere registrerede in situ observationer under en række høje tekstureringstryk (når de krystallinske korn har foretrukne orienteringer) i stressede polykrystallinske nikkelprøver med kornstørrelser på 500-, 20- og 3-nanometer.

"Væsentlig teksturering blev observeret ved tryk over 3,0 gigapascal for nikkel med 500 nanometer kornstørrelse og ved mere end 11,0 gigapascal for nikkel med 20 nanometer kornstørrelse, " siger Chen. "Overraskende nok, teksturering blev også set i nikkel med 3 nanometer kornstørrelse, når den blev komprimeret over 18,5 gigapascal. Dette fortæller os, at under højt ydre pres, dislokationsaktivitet kan udvides ned til en skala på få nanometers længde."

Chen og hans medforfattere startede med nanokrystallinsk nikkel, fordi dens ansigt-center kubiske struktur forbliver stabil under et bredt trykområde. De anvender nu deres teknikker til at studere andre nanokrystallinske materialer, både metaller og ikke-metaller.