Poudres Ni/graphène après mélange par cisaillement et lyophilisation. (A) Image SEM de poudres Ni/graphène, ne montrant aucune agrégation notable de feuilles de graphène. (B) Image MET de la surface d'une poudre Ni/graphène, montrant que le graphène à quelques couches enduit étroitement autour de la particule de Ni. (C) Observation de chauffage in situ d'une poudre Ni/graphène. Le graphène s'est progressivement dissous en Ni avec l'augmentation de la température. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aav5577
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
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
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
Microstructure du composite Ni/Ni3C activé au graphène. (A) Image SEM d'un composite Ni/Ni3C laminé à froid, montrant des structures de brique et de mortier. (B) Surface de rupture du composite Ni/Ni3C, montrant la structure stratifiée construite par des fossettes allongées. (C) Image TEM à faible grossissement, montrant une grosse particule de seconde phase noyée dans la matrice Ni. (D) Après laminage à froid, Les grains de Ni ont été déformés en longues bandes d'une épaisseur allant de 100 à 300 nm. (E) Image en fond noir par diffraction à deux faisceaux de la matrice Ni, montrant une forte concentration de luxations. (F) Observation rapprochée de la limite Ni/Ni3C. (G) Image HRTEM de l'interface entre Ni et une particule de deuxième phase, révélant une zone de transition. (H) Cristal de Ni3C sur le plan [−110]. (I) Image HRTEM du plan [−110] de la particule Ni3C, montrant un arrangement atomique identique à celui de la figure 2H. (J) Illustration schématique de la formation de composite Ni/Ni3C avec une structure en brique et mortier. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aav5577
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
Propriétés mécaniques du composite Ni/Ni3C activé au graphène avec une structure en brique et mortier. (A) Courbes contrainte-déformation en traction de Ni, Ni produit par métallurgie des poudres, et composite Ni/Ni3C (l'encart montre la taille de l'éprouvette de traction). (B) Diagramme à barres comparatif des propriétés mécaniques des composites Ni et Ni/Ni3C. (C) Graphique d'allongement en fonction de la limite d'élasticité montrant que le composite Ni/Ni3C tel que fabriqué présentait une combinaison exceptionnelle de résistance et de ductilité. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aav5577
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
Ils ont ensuite effectué des tests pour étudier la microstructure et les performances mécaniques du Ni/Ni activé par le graphène.
Strengthening and toughening mechanisms of graphene-derived Ni/Ni3C composite with brick-and-mortar structure. (A) Nanoindentation load-displacement curves of Ni and Ni3C platelet. (B) Hardness map derived from nanoindentation tests. (C) Reduced modulus map derived from nanoindentation tests. (D) Finite element simulation of the Ni/Ni3C composite under tension. (E) APT map of Ni and C atom distribution. (F) APT map of C atom distribution. (G) In situ tensile test with strain map. (H) In situ three-point bending test under SEM. Credit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aav5577
To understand the stiffening, strengthening and toughening mechanisms of the graphene-derived Ni/ Ni
The graphene-derived Ni/Ni
Microstructure of Ni-Ti-Al/Ni3C composite and high-temperature Vickers hardness of Ni, graphene-derived Ni/Ni3C composite, Ni-Ti-Al/Ni3C composite, and HR-224 superalloy. (A) SEM image of Ni-Ti-Al/Ni3C composite after chemical etching. (B) High-angle annular dark-field (HAADF) image of the Ni-Ti-Al/Ni3C composite. (C to F) High-resolution EDS of Ni, Ti, Al, and C maps. (G) Hardness values from high-temperature Vickers hardness tests. (H) Room temperature Vickers hardness indentation impression on Ni-Ti-Al/Ni3C composite (the edge length of the inset image is 180 μm). (I) High-temperature (1000°C) Vickers hardness indentation impression on Ni-Ti-Al/Ni3C composite (the edge length of the inset image is 180 μm). Credit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aav5577
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
De cette façon, Zhang and colleagues designed and developed a prototypical graphene-derived Ni/Ni
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