Wetenschappers van de Rice University breken metalen microblokjes om ze ultrasterk en taai te maken door hun nanostructuren bij een botsing te herschikken.

Het Rice-team rapporteerde in Wetenschap deze week dat het afvuren van een kleine, bijna perfecte kubus van zilver op een hard doelwit verandert de eenkristal microstructuur in een gradiënt-nano-korrelige (GNG) structuur.

Het doel van het experiment was om te leren hoe materialen vervormen onder overweldigende stress, zoals kan worden ervaren door een kogelvrij vest of een ruimtevaartuig dat micrometeorieten tegenkomt. De onderzoekers zijn van mening dat het creëren van een gradiënt nanostructuur in materialen door middel van vervorming ze taaier zal maken en daarom minder kans heeft om catastrofaal te falen wanneer ze vervolgens worden belast.

uiteindelijk, ze willen nano-korrelige metalen ontwikkelen die taaier en sterker zijn dan alles wat tegenwoordig beschikbaar is.

Onder leiding van materiaalwetenschapper Edwin Thomas, de William en Stephanie Sick Dean van Rice's George R. Brown School of Engineering, het team gebruikte zijn geavanceerde laser-geïnduceerde projectielimpacttest (LIPIT) rig om microkubussen op een siliciumdoel te schieten. Dankzij het mechanisme konden ze er zeker van zijn dat de kubus het doelwit precies raakte.

Het Thomas-lab ontwikkelde enkele jaren geleden de LIPIT-techniek om microbullets af te vuren om de sterkte van polymeer- en grafeenfilmmaterialen te testen. Deze keer waren de onderzoekers in wezen de kogel zelf aan het testen.

"De impact met hoge snelheid genereert een zeer hoge druk die de sterkte van het materiaal ver overtreft, Thomas zei. "Dit leidt tot een hoge plasticiteit aan de inslagzijde van de kubus, terwijl het bovenste gebied zijn oorspronkelijke structuur behoudt, uiteindelijk het creëren van een korrelgrootte gradiënt langs de hoogte."

De originele projectielen moesten zo perfect mogelijk zijn. Dat vereiste een aangepaste fabricagemethode, zei Tomas. De kubussen voor het onderzoek werden gesynthetiseerd als eenkristallen via bottom-up zaadgroei tot ongeveer 1,4 micron per kant, ongeveer 50 keer kleiner dan de breedte van een mensenhaar.

LIPIT transformeerde laserkracht in de mechanische energie die de kubussen met supersonische snelheid naar een doel stuwde. De kubussen werden bovenop een dunne polymeerfilm geplaatst die ze thermisch isoleerde en verhinderde dat de laser zelf ze vervormde. Wanneer een laserpuls een absorberende dunne-film goudlaag onder het polymeer raakt, de laserenergie zorgde ervoor dat het verdampte. Dat breidde de polymeerfilm uit, die de microkubussen lanceerde.

De afgelegde afstand was klein - ongeveer 500 micrometer - maar het effect was groot. Terwijl de experimenten bij kamertemperatuur werden uitgevoerd, de temperatuur van de kubus steeg met ongeveer 350 graden Fahrenheit bij een botsing met 400 meter per seconde en maakte dynamische herkristallisatie mogelijk.

Het team vuurde zilveren kubussen op het doelwit in verschillende richtingen en mat de resultaten van de impact vanuit elke hoek, van binnen en van buiten en van de nanoschaal naar boven. Het beheersen van de oriëntatie van de impact van het kristal gaf hen een enorm vermogen om de resulterende structuur en mogelijk zijn mechanische eigenschappen te beheersen, zei Tomas.

Andere industriële processen produceren materialen met korrels die kunnen variëren van nanokristallijn tot grofkorrelig, en, Tomas zei, geen van beide structuren is ideaal. Terwijl nanokristallijne structuren metalen sterker maken, ze verhogen ook hun gevoeligheid voor catastrofale brosse mislukking vanwege de manier waarop die korrels spanning lokaliseren. Studies hebben aangetoond dat het creëren van een gradiënt-nano-korrelige structuur van de nanometer tot de micronschaal een hoge sterkte kan bieden en toch dergelijke brosse storingen kan verminderen door een betere verdeling van stress.

Het eenstaps Rice-proces maakt dergelijke structuren met een reeks korrels van ongeveer 10 tot 500 nanometer over een afstand van 500 nanometer. Dat levert een helling op die minstens 10 keer hoger is dan de andere technieken, meldden de onderzoekers.

Ze ontdekten ook dat de impact aanzienlijke elastische energie opslaat in het materiaal, wat leidt tot langzame maar continue herkristallisatie van het metaal bij kamertemperatuur, ook al is het smeltpunt van zilver meer dan 1, 700 graden Fahrenheit. Elektronenmicroscoopanalyse van monsters acht dagen na de botsing toonde aan dat de kristallen nog steeds op zoek waren naar evenwicht, zei Tomas.

Naast veelbelovende routes voor het maken van ultrasterke en taaie metalen, de onderzoekers denken dat hun werk van invloed kan zijn op andere moderne materiaalverwerkingstechnieken zoals cold spray en shot peening.