Las estrategias de ingeniería bioinspiradas se basan en lograr las propiedades biológicas combinadas de resistencia y tenacidad inherentes a la naturaleza. Por lo tanto, los ingenieros de tejidos y los científicos de materiales tienen como objetivo construir estructuras biomiméticas jerárquicas de recursos limitados. Como material representativo, el nácar natural mantiene una estructura de ladrillo y mortero que permite muchos mecanismos de endurecimiento viables en múltiples escalas. Estos materiales de origen natural demuestran una excelente combinación de resistencia y tenacidad, a diferencia de cualquier sintético, biomaterial de ingeniería.

En un estudio reciente, Yunya Zhang y compañeros de trabajo en los departamentos de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial, La ciencia de los materiales y la tomografía con sonda atómica en los EE. UU. Desarrollaron un Ni / Ni bioinspirado ₃ Compuesto C para imitar una estructura de ladrillo y mortero similar al nácar con polvos de Ni y láminas de grafeno. Demostraron que el compuesto logró un aumento del 73 por ciento en la resistencia con solo un compromiso del 28 por ciento en la ductilidad para indicar una mejora notable en la tenacidad.

En el estudio, los investigadores desarrollaron material optimizado de derivados del grafeno, níquel- (Ni), compuestos a base de titanio (Ti) y aluminio (Al) (Ni-Ti-Al / Ni ₃ C compuesto) que retuvo una alta dureza de hasta 1000 ° C. Los científicos de materiales revelaron un nuevo método en el trabajo para fabricar materiales 2-D inteligentes y diseñar compuestos de matriz metálica de alto rendimiento. Los compuestos mostraron una estructura de ladrillo y mortero a través de reacciones interfaciales para desarrollar aleaciones a base de Ni-C funcionalmente avanzadas para entornos de alta temperatura. Los resultados ahora se publican en Avances de la ciencia .

Los materiales de próxima generación deben combinar inherentemente propiedades de resistencia y tenacidad, aunque su búsqueda da como resultado un compromiso entre dureza y ductilidad. En materiales de ingeniería, una fractura iniciada puede propagarse rápidamente sin ningún escudo, mientras que las estructuras biológicas pueden permitir que las arquitecturas jerárquicas hechas de recursos no tóxicos y limitados desvíen la apertura de grietas. Un ejemplo común es el nácar o el nácar, compuesto de aragonito (forma de CaCO ₃ ), plaquetas y biopolímero. En la estructura de ladrillo y mortero, las plaquetas de aragonito actúan como ladrillos para soportar cargas, y el biopolímero actúa como un mortero que une las plaquetas de aragonito. Durante la fractura en nácar, la estructura de los puentes minerales puede proteger la abertura de la grieta, mientras que las capas de biopolímero disipan la energía de la fractura para evitar la delaminación a gran escala.

Los científicos de materiales intentaron previamente imitar la arquitectura del nácar con notable éxito. Sin embargo, la plasticidad intrínsecamente baja de las cerámicas y los polímeros utilizados, limitado su actividad mecánica potencial. Por lo tanto, los investigadores esperaban clonar la arquitectura del nácar con componentes más fuertes, como compuestos incorporados en metal, en una tarea más prometedora pero desafiante. Anteriormente, los científicos usaban níquel (Ni) y sus aleaciones en diversas aplicaciones debido a la compatibilidad en altas temperaturas y entornos extremos con un excelente rendimiento mecánico y estabilidad. En el presente trabajo, por lo tanto, Zhang y col. investigado si está habilitado para grafeno, compuestos de matriz de Ni de alto rendimiento con nácar, La estructura de ladrillo y mortero podría diseñarse mediante procedimientos escalables y factibles.

Para esto, Zhang y col. primero formó un Ni / Ni suministrado por grafeno ₃ C compuesto con una característica bioinspirada, Arquitectura de ladrillo y mortero utilizando pulvimetalurgia convencional. Recubrieron de manera homogénea los polvos de Ni con grafeno durante la mezcla por cizallamiento y el secado por congelación y disolvieron el carbono en Ni a altas temperaturas para facilitar el proceso de sinterización. Entonces yo ₃ Las plaquetas C formadas durante el proceso sirvieron como principales portadores de carga, fortalecer los compuestos, mientras que la matriz de Ni aseguraba la ductilidad.

Debido a la combinación de mecanismos de fortalecimiento y endurecimiento introducidos en el método, la muestra final mostró una resistencia mejorada del 73 por ciento y solo una reducción del 28 por ciento en la ductilidad para causar una mejora notable de la tenacidad. Zhang y col. luego incluyó titanio (Ti) y aluminio (Al) en el compuesto derivado del grafeno para formar Ni-Ti-Al / Ni ₃ C como superaleación. Los científicos proponen utilizar el polvo habilitado con material 2-D en diferentes componentes del material para crear posibilidades para nuevos compuestos de matriz metálica.

Luego realizaron pruebas para investigar la microestructura y el rendimiento mecánico del Ni / Ni habilitado con grafeno. ₃ C compuestos que utilizan espectroscopía de rayos X de dispersión de energía (EDS) y microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM). Confirmaron la composición del nuevo material y demostraron que el material no se rompió durante el complicado proceso de fabricación. El Ni / Ni derivado del grafeno ₃ Los compuestos C mostraron un rendimiento mecánico sobresaliente, observado usando muestras de los compuestos en forma de hueso de perro. 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 y col. 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 y col. 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. En comparación, 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 este modo, 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.

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