Krympestyrke:Forståelse for, hvorfor en materialeadfærd ændres, efterhånden som den bliver mindre

For fuldt ud at forstå, hvordan nanomaterialer opfører sig, man skal også forstå deformationsmekanismerne i atomskala, der bestemmer deres struktur og, derfor, deres styrke og funktion.

Forskere ved University of Pittsburgh, Drexel Universitet, og Georgia Tech har udviklet en ny måde at observere og studere disse mekanismer på og, derved, har afsløret et interessant fænomen i et velkendt materiale, wolfram. Gruppen er den første til at observere twinning på atomniveau i kropscentreret kubisk (BCC) wolfram-nanokrystaller.

Teamet brugte et højopløsnings transmissionselektronmikroskop (TEM) og sofistikeret computermodellering til at foretage observationen. Dette arbejde, udgivet i Naturmaterialer , repræsenterer en milepæl i in situ -undersøgelsen af ​​nanomaterialers mekaniske adfærd.

Deformation twinning er en form for deformation, der, i forbindelse med forskydningsseddel, gør det muligt for materialer at deformere permanent uden at gå i stykker. I processen med venskab, krystalorienteringerne, som skaber et område i krystallen, der er et spejlbillede af den originale krystal. Twinning er blevet observeret i store BCC-metaller og legeringer under deformation. Imidlertid, om twinning forekommer i BCC -nanomaterialer eller ikke forblev ukendt.

"For at få en dyb forståelse af deformation i BCC -nanomaterialer, "Scott X. Mao, papirets seniorforfatter, sagde, "vi kombinerede billeddannelse i atomskala og simuleringer for at vise, at twinning-aktiviteter dominerede for de fleste belastningsforhold på grund af manglen på andre forskydningsdeformationsmekanismer i nanoskala BCC-gitter."

Holdet valgte wolfram som en typisk BCC -krystal. Den mest kendte anvendelse af wolfram er dets anvendelse som filamenter til pærer.

Observationen af ​​atomskala-venskab blev foretaget inde i en TEM. Denne form for undersøgelse havde ikke været mulig tidligere på grund af vanskeligheder med at lave BCC -prøver mindre end 100 nanometer i størrelse som krævet af TEM -billeddannelse. Jiangwei Wang, en Pitt -kandidatstuderende og hovedforfatter af papiret, udviklet en smart måde at lave BCC wolfram nanotråde på. Under en TEM, Wang svejste sammen to små stykker af individuelle nanoskala wolframkrystaller for at skabe en ledning på omkring 20 nanometer i diameter. Denne ledning var holdbar nok til at strække og komprimere, mens Wang observerede twinning -fænomenet i realtid.

For bedre at forstå fænomenet observeret af Mao og Wangs team i Pitt, Christopher R. Weinberger, en adjunkt i Drexel's College of Engineering, udviklet computermodeller, der viser wolfram -nanostrukturens mekaniske adfærd - på atomniveau. Hans modellering tillod holdet at se de fysiske faktorer, der spillede under venskab. Disse oplysninger vil hjælpe forskere med at teoretisere, hvorfor det forekommer i nanoskala wolfram og plotte et kursus for at undersøge denne adfærd i andre BCC -materialer.

"Vi forsøger at se, om vores atomistisk-baserede model opfører sig på samme måde som wolframprøven, der blev brugt i eksperimenterne, som derefter kan hjælpe med at forklare de mekanismer, der gør det muligt for den at opføre sig sådan, "Sagde Weinberger." Specifikt, vi vil gerne forklare, hvorfor det udviser denne venskabsevne som en nanostruktur, men ikke som et bulkmetal. "

I samklang med Weinbergers modellering, Ting Zhu, lektor i maskinteknik ved Georgia Tech, arbejdede med en kandidatstuderende, Zhi Zeng, at udføre avancerede computersimuleringer ved hjælp af molekylær dynamik til at studere deformationsprocesser i 3D.

Zhu's simulering afslørede, at wolframs "mindre er stærkere" adfærd ikke er uden ulemper, når det kommer til applikationer.

"Hvis du reducerer størrelsen til nanometerskalaen, du kan øge styrken med flere ordrer eller størrelse, "Sagde Zhu." Men den pris, du betaler, er et dramatisk fald i formbarheden.

Vi ønsker at øge styrken uden at gå på kompromis med formbarheden ved at udvikle disse nanostrukturerede metaller og legeringer. For at nå dette mål, vi er nødt til at forstå de kontrollerende deformationsmekanismer. "

Venskabsmekanismen, Mao tilføjede, står i kontrast til den konventionelle visdom om dislokationskernekontrolleret plasticitet i nanomaterialer. Resultaterne bør motivere til yderligere eksperimentel og modellerende undersøgelse af deformationsmekanismer i nanoskala metaller og legeringer, i sidste ende muliggør design af nanostrukturerede materialer fuldt ud at realisere deres latente mekaniske styrke.

"Vores opdagelse af den twinning -dominerede deformation åbner også muligheder for at forbedre duktiliteten ved at konstruere tvillingestrukturer i nanoskala BCC -krystaller, "Sagde Zhu.