Les stratégies d'ingénierie bioinspirées reposent sur l'obtention des propriétés biologiques combinées de résistance et de ténacité inhérentes à la nature. Les ingénieurs tissulaires et les scientifiques des matériaux visent donc à construire des structures biomimétiques hiérarchiques à partir de ressources limitées. En tant que matériau représentatif, la nacre naturelle maintient une structure de brique et de mortier qui permet de nombreux mécanismes de durcissement viables à plusieurs échelles. Ces matériaux naturels démontrent une combinaison exceptionnelle de résistance et de ténacité, contrairement à tout synthétique, biomatériau artificiel.

Dans une étude récente, Yunya Zhang et ses collègues des départements de génie mécanique et aérospatial, La science des matériaux et la tomographie par sonde atomique aux États-Unis ont développé un Ni/Ni bioinspiré 3 Composite C pour imiter la structure de brique et de mortier de type nacre avec des poudres de Ni et des feuilles de graphène. Ils ont montré que le composite obtenait une augmentation de 73% de la résistance avec seulement un compromis de 28% de la ductilité pour indiquer une amélioration notable de la ténacité.

Dans l'étude, les chercheurs ont développé un matériau optimisé dérivé du graphène, nickel-(Ni), composites à base de titane (Ti) et d'aluminium (Al) (Ni-Ti-Al/ Ni 3 composite C) qui a conservé une dureté élevée allant jusqu'à 1000 °C. Les scientifiques des matériaux ont dévoilé une nouvelle méthode de travail pour fabriquer des matériaux 2-D intelligents et concevoir des composites à matrice métallique haute performance. Les composites ont présenté une structure de brique et de mortier via des réactions interfaciales pour développer des alliages à base de Ni-C fonctionnellement avancés pour les environnements à haute température. Les résultats sont maintenant publiés dans Avancées scientifiques .

Les matériaux de nouvelle génération devraient combiner intrinsèquement des propriétés de résistance et de ténacité, bien que leur poursuite aboutisse à un compromis entre dureté et ductilité. En matériaux d'ingénierie, une fracture initiée peut se propager rapidement sans aucun bouclier, alors que les structures biologiques peuvent permettre à des architectures hiérarchiques constituées de ressources non toxiques et limitées de dévier l'ouverture des fissures. Un exemple courant est la nacre ou la nacre, composé d'aragonite (forme de CaCO 3 ), plaquettes et biopolymère. Dans la structure de brique et de mortier, les plaquettes d'aragonite agissent comme des briques porteuses, et le biopolymère agit comme un mortier liant les plaquettes d'aragonite ensemble. Lors de la rupture dans la nacre, la structure des ponts minéraux peut protéger l'ouverture de la fissure, tandis que les couches de biopolymère dissipent l'énergie de fracture pour empêcher un délaminage à grande échelle.

Les scientifiques des matériaux ont précédemment tenté d'imiter l'architecture de la nacre avec un succès remarquable. Cependant, la plasticité intrinsèquement faible des céramiques et polymères utilisés, limité leur activité mécanique potentielle. Les chercheurs s'attendaient donc à cloner l'architecture de la nacre avec des constituants plus forts tels que des composites métalliques incorporés, dans une tâche plus prometteuse mais stimulante. Les scientifiques utilisaient auparavant le nickel (Ni) et ses alliages dans diverses applications en raison de la compatibilité à des températures élevées et des environnements extrêmes avec des performances mécaniques et une stabilité exceptionnelles. Dans le travail present, donc, Zhang et al. étudié si le graphène est activé, composites à matrice Ni haute performance avec une apparence de nacre, la structure de brique et de mortier pourrait être conçue par des procédures évolutives et réalisables.

Pour ça, Zhang et al. a d'abord formé un Ni/Ni délivré par du graphène 3 C composite avec une caractéristique bio-inspirée, architecture de brique et de mortier utilisant la métallurgie des poudres conventionnelle. Ils ont enrobé de manière homogène des poudres de Ni avec du graphène pendant le mélange par cisaillement et la lyophilisation et ont dissous du carbone dans du Ni à haute température pour faciliter le processus de frittage. Alors je 3 Les plaquettes C formées au cours du processus ont servi de principaux porteurs de charge, renforcement des composites, tandis que la matrice Ni assurait la ductilité.

En raison du mélange de mécanismes de renforcement et de trempe introduits dans le procédé, l'échantillon final a montré une résistance améliorée de 73 pour cent et seulement 28 pour cent de réduction de la ductilité pour entraîner une amélioration notable de la ténacité. Zhang et al. puis inclus du titane (Ti) et de l'aluminium (Al) dans le composite dérivé du graphène pour former Ni-Ti-Al/ Ni 3 C comme superalliage. Les scientifiques proposent d'utiliser la poudre à matériaux 2D sur différents constituants de matériaux pour créer des possibilités de nouveaux composites à matrice métallique.

Ils ont ensuite effectué des tests pour étudier la microstructure et les performances mécaniques du Ni/Ni activé par le graphène. 3 Composites C utilisant la spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (EDS) et la microscopie électronique à transmission à haute résolution (HRTEM). They confirmed the composition of the new material and showed that the material did not break during the process of intricate manufacture. The graphene-derived 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.

De cette façon, 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 Réseau Science X