Forskere hærder glas ved hjælp af nanopartikler

UCLA mekaniske ingeniører og materialeforskere har udviklet en proces, der bruger nanopartikler til at styrke glasets atomstruktur. Resultatet er et produkt, der er mindst fem gange hårdere end noget glas, der i øjeblikket er tilgængeligt.

Processen kan give glas, der er nyttigt til industrielle applikationer - i motorkomponenter og værktøjer, der kan modstå høje temperaturer, for eksempel - såvel som til døre, borde og andre arkitektoniske og designelementer.

Undersøgelsen blev offentliggjort online i tidsskriftet Avancerede materialer og vil blive inkluderet i en fremtidig trykudgave. Forfatterne skrev, at samme fremgangsmåde også kunne bruges til fremstilling af hårdere keramik, der kunne bruges, for eksempel, i rumfartøjskomponenter, der er bedre i stand til at modstå ekstrem varme.

Inden for materialevidenskab, "sejhed" måler, hvor meget energi et materiale kan absorbere - og hvor meget det kan deformeres - uden at gå i stykker. Selvom glas og keramik kan forstærkes ved hjælp af eksterne behandlinger, som kemiske belægninger, disse tilgange ændrer ikke ved, at selve materialerne er sprøde.

For at løse dette problem, UCLA -forskerne tog et fingerpeg om metalstrukturen, som kan tage et bankende og ikke gå i stykker.

"De kemiske bindinger, der holder glas og keramik sammen, er ret stive, mens bindingerne i metaller tillader en vis fleksibilitet, "sagde Xiaochun Li, Raytheon -professor i fremstilling ved UCLA Samueli School of Engineering, og undersøgelsens hovedforsker. "I glas og keramik, når virkningen er stærk nok, en fraktur vil forplante sig hurtigt gennem materialet i en for det meste lige sti.

"Når noget påvirker et metal, dens mere deformerbare kemiske bindinger fungerer som støddæmpere, og dets atomer bevæger sig rundt, mens de stadig holder strukturen sammen. "

Forskerne antog, at ved at tilføre glas med nanopartikler af siliciumcarbid, en metallignende keramik, det resulterende materiale ville være i stand til at absorbere mere energi, før det ville mislykkes. De tilføjede nanopartiklerne til smeltet glas ved 3, 000 grader Fahrenheit, hvilket var med til at sikre, at nanopartiklerne var jævnt spredt.

Når materialet størkner, de indlejrede nanopartikler kunne fungere som vejspærringer for potentielle brud. Når der opstår et brud, de små partikler tvinger det til at forgrene sig til små netværk, i stedet for at lade den gå en lige vej. Denne forgrening gør det muligt for glasset at absorbere betydeligt mere energi fra et brud, før det forårsager betydelig skade.

Sintring, hvor et pulver opvarmes under tryk, og derefter afkølet, er den vigtigste metode til fremstilling af glas. Det var også den metode, der blev brugt i tidligere forsøg fra andre forskningsgrupper til at sprede nanopartikler i glas eller keramik. Men i disse forsøg, nanopartiklerne blev ikke spredt jævnt, og det resulterende materiale havde ujævn sejhed.

Glasblokkene, som UCLA -teamet udviklede til eksperimentet, var noget mælkeagtige, frem for klar, men Li sagde, at processen kunne tilpasses til at skabe klart glas.