Nanotvindet titanium skaber vej til bæredygtig produktion

Titanium er stærkt og let og kan prale af det højeste styrke/vægt-forhold af ethvert strukturelt metal. Men at behandle det og samtidig opretholde en god balance mellem styrke og duktilitet - et metals evne til at blive trukket ud uden at gå i stykker - er udfordrende og dyrt. Som et resultat er titanium blevet henvist til nicheanvendelser i udvalgte industrier.

Nu, som rapporteret i en nylig undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Science , har forskere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) opdaget en ny og praktisk vej frem.

Holdet fandt ud af, at de kunne bruge en teknik kaldet kryosmedning til at manipulere rent titanium på en milliardtedel af en meter (en nanometer) ved ultralave temperaturer til at producere ekstra stærk "nanovindet" titanium uden at ofre noget af dets duktilitet .

"Dette studie er første gang, nogen har produceret en ren nanovindet struktur i bulkmateriale," sagde Andrew Minor, undersøgelsens projektleder og direktør for National Center for Electron ved Molecular Foundry, en nanovidenskabsbrugerfacilitet på Berkeley Lab. "Med nanotvundet titanium behøver vi ikke længere at vælge mellem styrke og duktilitet, men kan i stedet opnå begge dele."

Småskalaændringer påvirker egenskaber i stor grad

Metallers mekaniske egenskaber afhænger delvist af deres korn - små individuelle krystallinske områder med gentagne atommønstre, der danner materialets indre struktur. Grænser mellem korn, hvor mønsteret ændrer sig, styrker metaller ved at stoppe defekter kendt som dislokationer i at bevæge sig på tværs og svække materialets struktur. Forestil dig kornene som gader og korngrænserne som stoplys, der forhindrer passage af atomare "biler".

En måde at styrke et metal på er simpelthen at krympe størrelsen af ​​dets korn for at skabe flere grænser ved at smede det - komprimere materialet ved høje temperaturer eller endda stuetemperatur ved at rulle eller hamre det. Imidlertid kommer denne type behandling ofte på bekostning af duktilitet - den indre struktur bliver brudt op, hvilket gør den tilbøjelig til at bryde. De mindre korn-"gader" og stigningen i "stoplygter" fører til en atomtrafikophobning og knækker materialet.

"Styrken af ​​et materiale er normalt korreleret med størrelsen af ​​de indre korn - jo mindre jo bedre," sagde Minor, som også er professor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab ved UC Berkeley. "Men høj styrke og duktilitet er generelt gensidigt udelukkende egenskaber."

Indtast nanotwins. Nanotwins er en specifik type atomarrangement, hvor de små grænser i krystalstrukturen er symmetrisk på linje, som spejlbilleder af hinanden. Tilbage på de atomare vejbaner bliver stoplygterne på korn-"gaderne" til fartbump med en nanotvindet struktur, hvilket gør det lettere for atomer at bevæge sig rundt uden opbygning af stress og samtidig bevare øget styrke.

Placering af tvillingen i titanium

Nanotvindede materialer er ikke nye. Men at lave dem kræver typisk specialiserede teknikker, der kan være dyre. Disse teknikker har fungeret for et udvalgt sæt metaller som kobber og bruges typisk kun til at lave tynde film. Ydermere oversættes det meste af tiden af ​​tyndfilmsegenskaber ikke til bulkmaterialer.

For at skabe nanotvundet titanium brugte forskerholdet en simpel teknik, kryosmedning - manipulering af metallets struktur ved ultralave temperaturer. Teknikken starter med en terning af meget rent (mere end 99,95%) titanium anbragt i flydende nitrogen ved minus 321 grader Fahrenheit. Mens kuben er nedsænket, påføres kompression på hver akse af kuben. Under disse forhold begynder materialets struktur at danne nanotwin-grænser. Terningen opvarmes senere til 750 grader Fahrenheit for at fjerne eventuelle strukturelle defekter, der er dannet mellem tvillingegrænserne.

Forskerne satte det nydannede materiale igennem en række stresstests og brugte Molecular Foundrys elektronmikroskoper til at afdække kilden til dets unikke egenskaber. Under disse test fandt de ud af, at nanovindet titanium havde bedre formbarhed, fordi det har evnen til både at danne nye nanotwin-grænser og fortryde tidligere dannede grænser, som begge hjælper med deformation. De testede materialet til ekstreme temperaturer op til 1.112 grader Fahrenheit, så varmt som flydende lava, og fandt ud af, at det bibeholdt dets struktur og egenskaber, hvilket demonstrerer materialets alsidighed.

Ved superkolde temperaturer er nanotvindet titanium i stand til at modstå mere belastning end normalt titanium, hvilket er det modsatte af, hvad der generelt sker for de fleste metaller - ved lave temperaturer bliver de fleste materialer mere skøre.

Størrelsen og antallet af disse nanotwin-strukturer kan ændre metallets egenskaber.

I tilfælde af titanium fandt forskerne ud af, at nanotwinning fordoblede metallets styrke og øgede dets duktilitet med 30 % ved stuetemperatur. Ved superlave temperaturer var forbedringen endnu mere dramatisk - det nanotvindede titanium var i stand til at fordoble i længden, før det blev fraktureret.

Nanotvindet titanium bibeholdt også sine fremragende egenskaber ved relativt høje temperaturer, hvilket viser, at disse egenskaber ikke kun ville bestå i det tempererede klima i San Francisco Bay Area, men også i den ekstreme kulde i det ydre rum og nær den intense varme fra en jetmotor.

Fremstilling af nanotvundet titanium ved hjælp af kryosmedning er potentielt omkostningseffektivt, skalerbart til kommerciel produktion og producerer et let genbrugsprodukt. Derudover, som Minor sagde, "Vi viste nanotvindingsmekanismen i titanium, men det er meget muligt, at det vil fungere i andre materialer, hvor duktiliteten er begrænsende." Herfra håber forskerne at tage den proces, de udviklede til titanium, og afgøre, om den kan anvendes på andre metaller. + Udforsk yderligere

Ekstremt stærk nano-tvilnet ren nikkel med ekstrem fin tvillingtykkelse