Bio-geïnspireerde engineeringstrategieën zijn afhankelijk van het bereiken van de gecombineerde biologische eigenschappen van sterkte en taaiheid die inherent zijn aan de natuur. Weefselingenieurs en materiaalwetenschappers willen daarom intelligente, hiërarchische biomimetische structuren uit beperkte middelen. Als representatief materiaal, natuurlijke parelmoer handhaaft een fysieke structuur die veel levensvatbare hardingsmechanismen op meerdere schalen mogelijk maakt. Dergelijke natuurlijk voorkomende materialen vertonen een uitstekende combinatie van sterkte en taaiheid, in tegenstelling tot alle synthetische, geconstrueerd biomateriaal.

In een recente studie, Yunya Zhang en medewerkers van de afdelingen Werktuigbouwkunde en Lucht- en Ruimtevaarttechniek, Materials Science en Atom-Probe Tomography in de VS ontwikkelden een bio-geïnspireerde Ni/Ni ₃ C-composiet om parelmoerachtige bakstenen-en-mortelstructuur na te bootsen met Ni-poeders en grafeenvellen. Ze toonden aan dat het composiet een toename van 73 procent in sterkte bereikte met slechts een compromis van 28 procent in ductiliteit, wat een opmerkelijke verbetering in taaiheid aangeeft.

In de studie, de onderzoekers ontwikkelden geoptimaliseerd materiaal van grafeen, nikkel- (Ni), composieten op basis van titanium (Ti) en aluminium (Al) (Ni-Ti-Al/Ni ₃ C-composiet) die een hoge hardheid tot 1000 °C behield. De materiaalwetenschappers onthulden een nieuwe methode om slimme 2D-materialen te fabriceren en hoogwaardige metalen matrixcomposieten te ontwikkelen. De composieten vertoonden een bakstenen-en-mortelstructuur via grensvlakreacties om functioneel geavanceerde op Ni-C gebaseerde legeringen te ontwikkelen voor omgevingen met hoge temperaturen. De resultaten zijn nu gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

Materialen van de volgende generatie moeten inherent de eigenschappen van sterkte en taaiheid combineren, hoewel hun streven resulteert in een compromis tussen hardheid en vervormbaarheid. Bij gemanipuleerde materialen, een geïnitieerde breuk kan zich snel voortplanten zonder enige afscherming, overwegende dat biologische structuren het mogelijk kunnen maken dat hiërarchische architecturen, gemaakt van niet-toxische en beperkte middelen, afwijken van het openen van scheuren. Een bekend voorbeeld is parelmoer of parelmoer, samengesteld uit aragoniet (vorm van CaCO ₃ ), bloedplaatjes en biopolymeer. In de bakstenen-en-mortelstructuur, de aragoniet-bloedplaatjes fungeren als bakstenen voor het dragen, en het biopolymeer werkt als een mortel die de aragoniet-bloedplaatjes aan elkaar bindt. Tijdens breuk in parelmoer, de structuur van minerale bruggen kan de scheuropening afschermen, terwijl biopolymeerlagen de breukenergie afvoeren om grootschalige delaminatie te voorkomen.

Materiaalwetenschappers probeerden eerder met opmerkelijk succes de architectuur van parelmoer na te bootsen. Echter, de intrinsiek lage plasticiteit van gebruikte keramiek en polymeren, beperkte hun potentiële mechanische activiteit. Onderzoekers verwachtten daarom dat ze de architectuur van parelmoer zouden klonen met sterkere bestanddelen zoals composieten in metaal, in een meer veelbelovende maar uitdagende taak. Wetenschappers gebruikten eerder nikkel (Ni) en zijn legeringen in diverse toepassingen vanwege de compatibiliteit bij hoge temperaturen en extreme omgevingen met uitstekende mechanische prestaties en stabiliteit. In het huidige werk, daarom, Zhang et al. onderzocht of grafeen mogelijk is, hoogwaardige Ni-matrixcomposieten met parelmoerachtige, een fysieke structuur kan worden ontworpen door schaalbare en haalbare procedures.

Voor deze, Zhang et al. vormde eerst een door grafeen geleverd Ni/Ni ₃ C composiet met een karakteristieke bio-geïnspireerde, baksteen-en-mortel architectuur met behulp van conventionele poedermetallurgie. Ze bedekten Ni-poeders homogeen met grafeen tijdens het mengen en vriesdrogen en losten koolstof op in Ni bij hoge temperaturen om het sinterproces te vergemakkelijken. de Ni ₃ C-bloedplaatjes die tijdens het proces werden gevormd, dienden als belangrijke lastdragers, versterking van de composieten, terwijl de Ni-matrix ductiliteit verzekerde.

Door de mix van versterkings- en verstevigingsmechanismen die in de methode zijn geïntroduceerd, het uiteindelijke monster vertoonde een verbeterde sterkte van 73 procent en slechts 28 procent vermindering van de ductiliteit om een ​​opmerkelijke verbetering van de taaiheid te veroorzaken. Zhang et al. omvatte vervolgens titanium (Ti) en aluminium (Al) in de van grafeen afgeleide composiet om Ni-Ti-Al / Ni te vormen ₃ C als superlegering. De wetenschappers stellen voor om het poeder met 2D-materiaal te gebruiken op verschillende materiaalbestanddelen om mogelijkheden te creëren voor nieuwe metaalmatrixcomposieten.

Vervolgens voerden ze tests uit om de microstructuur en mechanische prestaties van grafeen-enabled Ni / Ni . te onderzoeken ₃ C-composieten met behulp van energiedispersieve röntgenspectroscopie (EDS) en transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie (HRTEM). Ze bevestigden de samenstelling van het nieuwe materiaal en toonden aan dat het materiaal niet brak tijdens het ingewikkelde fabricageproces. Het van grafeen afgeleide Ni/Ni ₃ C composites showed outstanding mechanical performance, observed using dog bone shaped samples of the composites. The scientists used the combined strength and ductility in the present work to indicate that the bioinspired brick-and-mortar architecture efficiently mitigated the conflict between strength and toughness.

To understand the stiffening, strengthening and toughening mechanisms of the graphene-derived Ni/ Ni ₃ C composite, Zhang et al. conducted nanoindentation studies and obtained the Young's modulus of the material. They showed that the Ni ₃ C platelets enhanced the Young's modulus of the novel material for increased hardness. The resulting structures showing hard and reduced modulus maps to present an alternating hard-soft-structure. Then using atom probe tomography (APT) maps, they showed homogenously dispersed carbon atoms in the nickel matrix.

The graphene-derived Ni/Ni ₃ C composite showed obvious plastic deformation and higher toughness compared with pure Ni, the structural integrity of the new material could deviate cracks to prevent their opening, much like natural nacre. The scientists also showed the appearance of metal bridges for effective crack deflection, where the layered architecture blunted the crack tip, preventing further crack propagation to experimentally prove the brick-and-mortar architecture of Ni/ Ni ₃ C contributing to toughness and ductility without crack induction.

Zhang et al. used Ni alloys due to their outstanding capability to withstand high temperatures and creep resistance. To verify high temperature performance, the scientists added titanium (Ti, 2 percent) and aluminum (Al, 2 percent) into the Ni/graphene powders for sintering. The resulting Ni-Ti-Al/Ni ₃ C composite also showed brick-and-mortar architecture and stripe-like-grains. The earlier Ni/ Ni ₃ C composites maintained a high hardness from room temperature to 300 °C, although afterwards the hardness rapidly decreased. In comparison, the Ni-Ti-Al/Ni ₃ C composite developed thereafter, showed no hardness reduction up to 500 °C. The new composites were relatively smooth at room temperature and showed oxidized surfaces with irregular particles at 1000 °C. Based on the alloy recipes and heat treatments introduced in the study, the scientists propose using the novel composites to engineer the next-generation superalloys for potential temperature elevated applications, including aircraft gas turbines and spacecraft airframes.

Op deze manier, Zhang and colleagues designed and developed a prototypical graphene-derived Ni/Ni ₃ C composite with nacre-inspired brick-and-mortar architecture. They conducted extensive characterization studies to investigate and understand the material properties of the newly developed composites. The Ni-Ti-Al/Ni ₃ C composite showed superior strength at 1000 °C compared to commercial superalloys. The scientists envision this promising new strategy to design and synthesize advanced, bioinspired materials to achieve exceptionally high mechanical robustness for a wide-range of applications in materials science and multidisciplinary fields.

© 2019 Wetenschap X Netwerk