Mikroskopiska silverbitar var kulorna i Rice University -experimenten för att visa hur deformation vid påverkan kan göra material starkare och tuffare. Kredit:Thomas Group/Rice University
Forskare vid Rice University krossar metalliska mikrokuber för att göra dem extremt starka och tuffa genom att omorganisera sina nanostrukturer vid påverkan.
Rice-teamet rapporterade in Vetenskap den här veckan skjuter en liten, nästan perfekt kub av silver på ett hårt mål förvandlar sin enkristallmikrostruktur till en gradient-nano-kornig (GNG) struktur.
Syftet med experimentet var att lära sig hur material deformeras under överväldigande stress, som kan upplevas av en skottsäker väst eller en rymdfarkost som möter mikrometeoriter. Forskarna tror att skapa en gradient nanostruktur i material genom deformation kommer att göra dem mer duktila och därför mindre benägna att misslyckas katastrofalt när de senare blir stressade.
I sista hand, de vill utveckla nanokorniga metaller som är tuffare och starkare än något som finns tillgängligt idag.
Leds av materialvetaren Edwin Thomas, William och Stephanie Sick Dean vid Rices George R. Brown School of Engineering, laget använde sin avancerade laserinducerade projektilpåverkanstest (LIPIT) för att skjuta mikrokubar på ett kiseldiagram. Mekanismen gjorde det möjligt för dem att vara säkra på att kuben träffade målet rakt av.
Thomas-labbet utvecklade LIPIT-tekniken för flera år sedan för att avfyra mikrokulor för att testa hållfastheten hos polymer- och grafenfilmmaterial. Den här gången testade forskarna i huvudsak själva kulan.
"Höghastighetspåverkan genererar mycket högt tryck som vida överstiger materialets styrka, ", sa Thomas. "Detta leder till hög plasticitet på kubens anslagssida medan den övre delen behåller sin ursprungliga struktur, skapar i slutändan en gradient i kornstorlek längs dess höjd."
En sammansatt bild i tvärsnitt av en silvermikrokub som slagits på sidan visar minskande kornstorlek närmare där den deformerade kuben träffade målet. Rice Universitys forskare tror att deras forskning kommer att leda till bättre material för högeffektiva tillämpningar. Kredit:Thomas Group/Rice University
De ursprungliga projektilerna behövde vara så perfekta som möjligt. Det krävde en anpassad tillverkningsmetod, sa Thomas. Kuberna för studien syntetiserades som enkristaller via frötillväxt nerifrån och upp till cirka 1,4 mikron per sida, cirka 50 gånger mindre än bredden på ett människohår.
LIPIT omvandlade laserkraft till den mekaniska energin som drev kuberna mot ett mål med överljudshastighet. Kuberna placerades ovanpå en tunn polymerfilm som isolerade dem termiskt och hindrade själva lasern från att deformera dem. När en laserpuls träffar ett absorberande tunnfilmsguldlager under polymeren, laserenergin fick den att förångas. Det expanderade polymerfilmen, som lanserade mikrokuberna.
Det tillryggalagda avståndet var litet – cirka 500 mikrometer – men effekten var stor. Medan experimenten utfördes vid rumstemperatur, kubens temperatur steg med cirka 350 grader Fahrenheit vid sammanstötningen med 400 meter per sekund och tillät dynamisk omkristallisering.
Teamet avfyrade silverkuber mot målet i olika riktningar och mätte resultaten av nedslaget från alla vinklar, inifrån och ut och från nanoskalan och uppåt. Att kontrollera orienteringen av kristallens påverkan gav dem en enorm förmåga att kontrollera den resulterande strukturen och potentiellt dess mekaniska egenskaper, sa Thomas.
Rice University forskare (från vänster) Olawale Lawal, Ramathasan Thevamaran, Edwin Thomas och Sadegh Yazdi håller lermodeller av deformerade kuber som representerar resultaten av deras mikroskalaexperiment. Forskarna krossade silvermikrokuber i nära överljudshastigheter för att se hur deformering av deras kristallina strukturer kunde göra dem starkare och segare. Upphovsman:Jeff Fitlow/Rice University
Andra industriella processer producerar material med korn som kan sträcka sig från det nanokristallina upp till det grovkorniga, och, Thomas sa, ingen av strukturerna är idealiska. Medan nanokristallina strukturer gör metaller starkare, de ökar också sin känslighet för katastrofala spröda misslyckanden på grund av hur dessa korn lokaliserar stam. Studier har visat att att skapa en gradient-nano-kornig struktur från nanometer- till mikronskalan kan ge hög hållfasthet men ändå lindra sådana spröda fel genom bättre fördelning av stress.
Rice-processen i ett steg gör sådana strukturer med en rad korn från cirka 10 till 500 nanometer över ett avstånd på 500 nanometer. Det ger en gradient som är minst 10 gånger högre än de andra teknikerna, rapporterade forskarna.
De upptäckte också att stöten lagrar avsevärd elastisk energi i materialet, vilket leder till långsam men kontinuerlig omkristallisation av metallen vid rumstemperatur, även om silversmältpunkten är högre än 1, 700 grader Fahrenheit. Elektronmikroskopanalys av prover åtta dagar efter nedslaget visade att kristallerna fortfarande sökte jämvikt, sa Thomas.
Förutom lovande vägar för att skapa ultrastarka och tuffa metaller, forskarna tror att deras arbete kan påverka andra moderna materialbearbetningstekniker som kallspray och kulblästring.
