Super nanotrådskomposit løser dødsdalens gåde

(Phys.org) – I en verdensnyhed, et team af forskere fra Australien, Kina og USA har skabt en super stærk metallisk komposit ved at udnytte de ekstraordinære mekaniske egenskaber ved nanotråde.

Medforfatter og leder af School of Mechanical and Chemical Engineering ved University of Western Australia, Winthrop professor Yinong Liu, sagde, at arbejdet effektivt har overvundet en udfordring, der har frustreret verdens bedste videnskabsmænd og ingeniører i mere end tre årtier, kaldet "dødens dal" i nanokompositdesign.

"Vi ved, at nanotråde udviser ekstraordinære mekaniske egenskaber, især ultrahøje styrker i størrelsesordenen adskillige gigapascal, nærmer sig de teoretiske grænser. Med den hurtige udvikling af vores evne til at producere mere i variation, mere i mængde og bedre i form og størrelse af nanotråde, chancen for at skabe bulk engineering kompositmaterialer forstærket af disse nanotråde er blevet høj, " sagde professor Liu. Men alle de hidtidige forsøg har ikke formået at realisere de ekstraordinære egenskaber af nanotrådene i bulkmaterialer.

Professor Liu siger, at problemet er med matrixen:"I en normal metal matrix-nanowire-komposit, når vi trækker kompositmaterialet til en meget høj belastning, nanotrådene vil opleve en stor elastisk deformation på flere pct. Det er ok for nanotrådene, men det kan de normale metaller, der danner matrixen, ikke. De kan strække elastisk til ikke mere end 1 pct. Udover det, matrixen deformeres plastisk, " han sagde.

Plastisk deformation beskadiger krystalstrukturen ved grænsefladen mellem nanotrådene og matrixen. I denne forbindelse egenskaberne af kompositten er begrænset af egenskaberne af den almindelige matrix, og ikke bestemt af nanotrådenes ekstraordinære egenskaber.

"Tricket er med NiTi-matricen, " sagde professor Liu. "NiTi er en formhukommelseslegering, et fancy navn, men ikke helt nyt. Det er ikke stærkere end andre almindelige metaller, men det har en særlig egenskab, nemlig dets martensitiske transformation. Transformationen kan producere en deformation, der er kompatibel med den elastiske deformation af nanotrådene uden plastisk skade på kompositstrukturen. Dette giver effektivt nanotrådene en chance for at udføre deres arbejde, det er, at bære den høje belastning og at være super stærk. Med dette har vi krydset 'dødens dal'!" sagde professor Liu.

Ved at bruge denne idé, forskerne har skabt kompositmaterialer, der er dobbelt så stærke som højstyrkestål, der har elastiske tøjningsgrænser på op til seks procent - hvilket er 5-10 gange større end de elastiske tøjninger i de bedste fjederstål, der er tilgængelige i øjeblikket - og et Young's modul på ~30 GPa, som hidtil er uovertruffen af ​​nogen tekniske materialer.

Gennembruddet åbner døren for en række nye og innovative applikationer. Det meget lave Youngs modul svarer til menneskeknogle, gør det til et meget bedre materiale til medicinske anvendelser som implantater, for eksempel. Evnen til at producere og vedligeholde ekstremt store elastiske belastninger giver også en hidtil uset mulighed for "elastic strain engineering", hvilket kan føre til forbedringer i mange funktionelle egenskaber af faste materialer, såsom elektronisk, optoelektronisk, piezoelektriske, piezomagnetisk, fotokatalytiske og kemiske sanseegenskaber.

"En transformerende metal nanokomposit med stor elastisk belastning, Low Modulus and High Strength" er blevet offentliggjort i tidsskriftet Videnskab .