Les cubes d'argent microscopiques ont été les balles des expériences de l'Université Rice pour montrer comment la déformation lors de l'impact peut rendre les matériaux plus solides et plus résistants. Crédit :Thomas Group/Rice University
Des scientifiques de l'Université Rice brisent des micro-cubes métalliques pour les rendre ultra-résistants et résistants en réarrangeant leurs nanostructures lors de l'impact.
L'équipe Rice a rapporté dans Science cette semaine que tirer un tout petit, un cube d'argent presque parfait sur une cible dure transforme sa microstructure monocristalline en une structure à nano-grains (GNG) à gradient.
Le but de l'expérience était d'apprendre comment les matériaux se déforment sous un stress écrasant, comme pourrait être vécu par un gilet pare-balles ou un vaisseau spatial qui rencontre des micrométéorites. Les chercheurs pensent que la création d'une nanostructure à gradient dans les matériaux par déformation les rendra plus ductiles et donc moins susceptibles de tomber en panne de manière catastrophique lorsqu'ils seront soumis à des contraintes ultérieures.
Finalement, ils veulent développer des métaux à nano-grains qui sont plus résistants et plus résistants que tout ce qui est disponible aujourd'hui.
Dirigé par le scientifique des matériaux Edwin Thomas, le doyen William et Stephanie Sick de la George R. Brown School of Engineering de Rice, l'équipe a utilisé sa plate-forme d'essai d'impact de projectile induit par laser (LIPIT) pour tirer des microcubes sur une cible en silicium. Le mécanisme leur permettait de s'assurer que le cube touchait bien la cible.
Le laboratoire Thomas a développé il y a plusieurs années la technique LIPIT pour tirer des microbilles afin de tester la résistance des matériaux de film polymère et graphène. Cette fois, les chercheurs testaient essentiellement la balle elle-même.
"L'impact à grande vitesse génère une pression très élevée qui dépasse de loin la résistance du matériau, " a déclaré Thomas. " Cela conduit à une plasticité élevée du côté de l'impact du cube tandis que la région supérieure conserve sa structure initiale, créant finalement un gradient de taille de grain le long de sa hauteur. "
Une image composite en coupe transversale d'un microcube d'argent impacté sur le côté montre une diminution de la taille des grains plus près de l'endroit où le cube déformé a touché la cible. Les scientifiques de l'Université Rice pensent que leurs recherches conduiront à de meilleurs matériaux pour des applications à fort impact. Crédit :Thomas Group/Rice University
Les projectiles originaux devaient être aussi parfaits que possible. Cela nécessitait une méthode de fabrication sur mesure, dit Thomas. Les cubes pour l'étude ont été synthétisés sous forme de monocristaux via une croissance de graines ascendante à environ 1,4 micromètre de côté, environ 50 fois plus petit que la largeur d'un cheveu humain.
LIPIT a transformé la puissance laser en énergie mécanique qui a propulsé les cubes vers une cible à une vitesse supersonique. Les cubes ont été placés sur un mince film polymère qui les isolait thermiquement et empêchait le laser lui-même de les déformer. Lorsqu'une impulsion laser frappe une couche d'or absorbante en couche mince sous le polymère, l'énergie laser l'a fait se vaporiser. Qui a élargi le film polymère, qui a lancé les microcubes.
La distance parcourue était petite – environ 500 micromètres – mais l'effet était grand. Alors que les expériences ont été réalisées à température ambiante, la température du cube a augmenté d'environ 350 degrés Fahrenheit lors de l'impact à 400 mètres par seconde et a permis une recristallisation dynamique.
L'équipe a tiré des cubes d'argent sur la cible à différentes orientations et mesuré les résultats de l'impact sous tous les angles, à l'intérieur et à l'extérieur et à partir de l'échelle nanométrique. Le contrôle de l'orientation de l'impact du cristal leur a donné une énorme capacité à contrôler la structure résultante et potentiellement ses propriétés mécaniques, dit Thomas.
Chercheurs de l'Université Rice (de gauche à droite) Olawale Lawal, Ramathasan Thevamaran, Edwin Thomas et Sadegh Yazdi détiennent des modèles en argile de cubes déformés qui représentent les résultats de leurs expériences à micro-échelle. Les chercheurs ont brisé des microcubes d'argent à des vitesses presque supersoniques pour voir comment la déformation de leurs structures cristallines pourrait les rendre plus forts et plus résistants. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
D'autres procédés industriels produisent des matériaux dont les grains peuvent aller du nanocristallin au gros grain, et, Thomas a dit, aucune des deux structures n'est idéale. Alors que les structures nanocristallines rendent les métaux plus forts, ils augmentent également leur susceptibilité à une rupture fragile catastrophique en raison de la façon dont ces grains localisent la déformation. Des études ont démontré que la création d'une structure à nano-grains à gradient de l'échelle du nanomètre au micron peut fournir une résistance élevée tout en réduisant ces défaillances fragiles par une meilleure répartition des contraintes.
Le procédé Rice en une étape fabrique de telles structures avec une gamme de grains d'environ 10 à 500 nanomètres sur une distance de 500 nanomètres. Cela produit un gradient au moins 10 fois plus élevé que les autres techniques, les chercheurs ont rapporté.
Ils ont également découvert que l'impact stocke une énergie élastique considérable dans le matériau, ce qui conduit à une recristallisation lente mais continue du métal à température ambiante, même si le point de fusion de l'argent est supérieur à 1, 700 degrés Fahrenheit. L'analyse au microscope électronique d'échantillons huit jours après l'impact a montré que les cristaux cherchaient toujours l'équilibre, dit Thomas.
En plus des voies prometteuses pour la création de métaux ultrarésistants et résistants, les chercheurs pensent que leur travail peut influencer d'autres techniques modernes de traitement des matériaux telles que la pulvérisation à froid et le grenaillage.
