At smadre metalliske terninger hærder dem

Forskere ved Rice University smadrer metalliske mikroterninger for at gøre dem ultrastærke og seje ved at omarrangere deres nanostrukturer ved stød.

Rice-holdet rapporterede ind Videnskab denne uge, der fyrede en lille, næsten perfekt terning af sølv på et hårdt mål forvandler dens enkeltkrystalmikrostruktur til en gradient-nano-kornet (GNG) struktur.

Formålet med eksperimentet var at lære, hvordan materialer deformeres under overvældende stress, som det kunne opleves af en skudsikker vest eller et rumfartøj, der støder på mikrometeoritter. Forskerne mener, at skabelse af en gradient nanostruktur i materialer ved hjælp af deformation vil gøre dem mere duktile og derfor mindre tilbøjelige til at svigte katastrofalt, når de efterfølgende stresses.

Ultimativt, de ønsker at udvikle nano-kornede metaller, der er sejere og stærkere end noget andet tilgængeligt i dag.

Ledet af materialeforsker Edwin Thomas, William og Stephanie syge dekan fra Rice's George R. Brown School of Engineering, holdet brugte sin avancerede laser-inducerede projektile impact test (LIPIT) rig til at skyde mikrokuber på et siliciummål. Mekanismen gjorde det muligt for dem at være sikre på, at kuben ramte målet korrekt.

Thomas-laboratoriet udviklede LIPIT-teknikken for flere år siden til at affyre mikrokugler for at teste styrken af ​​polymer- og grafenfilmmaterialer. Denne gang testede forskerne i det væsentlige selve kuglen.

"Højhastighedspåvirkningen genererer meget højt tryk, der langt overstiger materialets styrke, " sagde Thomas. "Dette fører til høj plasticitet ved slagsiden af ​​kuben, mens det øverste område bevarer sin oprindelige struktur, i sidste ende skaber en gradient i kornstørrelse langs dens højde."

De originale projektiler skulle være så perfekte som muligt. Det krævede en tilpasset fremstillingsmetode, sagde Thomas. Terningerne til undersøgelsen blev syntetiseret som enkeltkrystaller via bottom-up frøvækst til omkring 1,4 mikrometer pr. side, omkring 50 gange mindre end bredden af ​​et menneskehår.

LIPIT transformerede laserkraft til den mekaniske energi, der drev kuberne mod et mål med supersonisk hastighed. Terningerne blev placeret oven på en tynd polymerfilm, der termisk isolerede dem og forhindrede selve laseren i at deformere dem. Når en laserimpuls ramte et absorberende tyndfilm guldlag under polymeren, laserenergien fik den til at fordampe. Det udvidede polymerfilmen, som lancerede mikrokuberne.

Den tilbagelagte distance var lille - omkring 500 mikrometer - men effekten var stor. Mens eksperimenterne blev udført ved stuetemperatur, kubens temperatur steg med omkring 350 grader Fahrenheit ved sammenstød med 400 meter i sekundet og tillod dynamisk omkrystallisation.

Holdet affyrede sølvterninger mod målet i forskellige retninger og målte resultaterne af anslaget fra alle vinkler, inde og ude og fra nanoskalaen og op. Styring af orienteringen af ​​krystallens påvirkning gav dem en enorm evne til at kontrollere den resulterende struktur og potentielt dens mekaniske egenskaber, sagde Thomas.

Andre industrielle processer producerer materialer med korn, der kan variere fra det nanokrystallinske op til det grovkornede, og, Thomas sagde, ingen af ​​strukturerne er ideelle. Mens nanokrystallinske strukturer gør metaller stærkere, de øger også deres modtagelighed for katastrofale skøre svigt på grund af den måde, hvorpå disse korn lokaliserer stammen. Undersøgelser har vist, at skabelse af en gradient-nano-kornet struktur fra nanometer til mikron skala kan give høj styrke, men alligevel afhjælpe sådanne sprøde fejl ved bedre fordeling af stress.

Et-trins Rice-processen laver sådanne strukturer med en række korn fra omkring 10 til 500 nanometer over en afstand på 500 nanometer. Det giver en gradient, der er mindst 10 gange højere end de andre teknikker, rapporterede forskerne.

De opdagede også, at stødet lagrer betydelig elastisk energi i materialet, hvilket fører til langsom, men kontinuerlig omkrystallisation af metallet ved stuetemperatur, selvom sølvs smeltepunkt er mere end 1, 700 grader Fahrenheit. Elektronmikroskopanalyse af prøver otte dage efter stød viste, at krystallerne stadig søgte ligevægt, sagde Thomas.

Ud over lovende veje til at skabe ultrastærke og seje metaller, forskerne mener, at deres arbejde kan påvirke sådanne andre moderne materialebearbejdningsteknikker som koldspray og shotpeening.