Bioinspirerade ingenjörsstrategier förlitar sig på att uppnå de kombinerade biologiska egenskaperna för styrka och seghet som är inneboende i naturen. Vävnadsingenjörer och materialforskare syftar därför till att konstruera intelligenta, hierarkiska biomimetiska strukturer från begränsade resurser. Som ett representativt material, naturlig pärlemor upprätthåller en tegel-och-bruk-struktur som tillåter många livskraftiga härdningsmekanismer på flera skalor. Sådana naturligt förekommande material visar en enastående kombination av styrka och seghet, till skillnad från alla syntetiska, konstruerat biomaterial.

I en nyligen genomförd studie, Yunya Zhang och medarbetare vid avdelningarna för mekanisk och rymdteknik, Materialvetenskap och Atom-Probe Tomography i USA utvecklade en bioinspirerad Ni/Ni ₃ C-komposit för att efterlikna pärlemorliknande tegel-och-bruk-struktur med Ni-pulver och grafenark. De visade att kompositen uppnådde 73 procents ökning i styrka med endast en kompromiss på 28 procent i formbarhet för att indikera en anmärkningsvärd förbättring av segheten.

I studien, forskarna utvecklade optimerat material av grafen-härledda, nickel- (Ni), titan (Ti) och aluminium (Al) baserade kompositer (Ni-Ti-Al/Ni) ₃ C -komposit) som höll hög hårdhet på upp till 1000 ° C. Materialforskarna avslöjade en ny metod i arbetet med att tillverka smarta 2D-material och konstruera högpresterande metallmatriskompositer. Kompositerna visade en tegel-och-bruk-struktur via gränssnittsreaktioner för att utveckla funktionellt avancerade Ni-C-baserade legeringar för högtemperaturmiljöer. Resultaten är nu publicerade i Vetenskapens framsteg .

Nästa generations material bör innebära egenskaper som styrka och seghet, även om deras strävan resulterar i en kompromiss mellan hårdhet och smidighet. I konstruerade material, en påbörjad fraktur kan fortplanta sig snabbt utan någon sköld, medan biologiska strukturer kan tillåta hierarkiska arkitekturer gjorda av giftfria och begränsade resurser att avvika spricköppning. Ett vanligt exempel är pärlemor eller nacre, består av aragonit (form av CaCO ₃ ), blodplättar och biopolymer. I tegel- och murbruksstrukturen, aragonitplättarna fungerar som tegel för lastbärande, och biopolymeren fungerar som en mortel som binder samman aragonitplättarna. Under fraktur i pärlemor, strukturen på mineralbroar kan skydda spricköppningen, medan biopolymerskikt avleder sprickenergin för att förhindra storskalig delaminering.

Materialforskare försökte tidigare härma pärlemornas arkitektur med anmärkningsvärd framgång. Dock, den inneboende låga plasticiteten hos keramer och polymerer som används, begränsade deras potentiella mekaniska aktivitet. Forskare förväntade sig därför att klona pärlemors arkitektur med starkare beståndsdelar som metallinkorporerade kompositer, i en mer lovande men utmanande uppgift. Forskare har tidigare använt nickel (Ni) och dess legeringar i olika applikationer på grund av kompatibilitet i höga temperaturer och extrema miljöer med enastående mekanisk prestanda och stabilitet. I detta arbete, därför, Zhang et al. undersökt om grafen är aktiverat, högpresterande Ni-matriskompositer med pärlemorliknande, tegel och murbruk struktur kan konstrueras genom skalbara och genomförbara procedurer.

För detta, Zhang et al. bildade först en grafenlevererad Ni/Ni ₃ C komposit med en karakteristisk bioinspirerad, tegel-och-bruk-arkitektur med konventionell pulvermetallurgi. De belade homogent Ni-pulver med grafen under skjuvblandning och frystorkning och löste kol i Ni vid höga temperaturer för att underlätta sintringsprocessen. Ni ₃ C -trombocyter som bildades under processen fungerade som stora lastbärare, förstärkning av kompositerna, medan Ni-matrisen säkerställde duktilitet.

På grund av blandningen av förstärknings- och härdningsmekanismer som introducerades i metoden, det slutliga provet visade en förbättrad hållfasthet på 73 procent och endast 28 procents minskning av duktiliteten för att orsaka märkbar förbättring av segheten. Zhang et al. inkluderade sedan titan (Ti) och aluminium (Al) i den grafenhärledda kompositen för att bilda Ni-Ti-Al/Ni ₃ C som en superlegering. Forskarna föreslår att använda det 2D-materialaktiverade pulvret på olika materialbeståndsdelar för att skapa möjligheter för nya metallmatriskompositer.

De genomförde sedan tester för att undersöka mikrostrukturen och mekaniska prestanda hos grafenaktiverad Ni/Ni ₃ C-kompositer som använder energidispersiv röntgenspektroskopi (EDS) och högupplöst transmissionselektronmikroskopi (HRTEM). De bekräftade sammansättningen av det nya materialet och visade att materialet inte gick sönder under processen för invecklad tillverkning. Den grafenhärledda Ni/Ni ₃ C -kompositer visade enastående mekanisk prestanda, 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. I jämförelse, 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.

På det här sättet, 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 Science X Network