Los cubos de plata microscópicos fueron las balas en los experimentos de la Universidad de Rice para mostrar cómo la deformación tras el impacto puede hacer que los materiales sean más fuertes y resistentes. Crédito:Thomas Group / Rice University
Los científicos de la Universidad de Rice están rompiendo microcubos metálicos para hacerlos ultrafuertes y resistentes al reorganizar sus nanoestructuras en el momento del impacto.
El equipo de Rice informó en Ciencias esta semana que disparando un diminuto, Un cubo casi perfecto de plata sobre un objetivo duro convierte su microestructura monocristalina en una estructura de nanograno en gradiente (GNG).
El propósito del experimento era aprender cómo los materiales se deforman bajo un estrés abrumador, como podría experimentar un chaleco antibalas o una nave espacial que encuentra micrometeoritos. Los investigadores creen que la creación de una nanoestructura de gradiente en los materiales mediante la deformación los hará más dúctiles y, por lo tanto, será menos probable que fallen de manera catastrófica cuando se sometan a tensiones posteriores.
Por último, quieren desarrollar metales nanogranados que sean más duros y resistentes que cualquier otro disponible en la actualidad.
Dirigido por el científico de materiales Edwin Thomas, William and Stephanie Sick Dean de la Escuela de Ingeniería George R. Brown de Rice, el equipo utilizó su avanzada plataforma de prueba de impacto de proyectiles inducidos por láser (LIPIT) para disparar microcubos sobre un objetivo de silicio. El mecanismo les permitió asegurarse de que el cubo golpeara el objetivo de lleno.
El laboratorio de Thomas desarrolló la técnica LIPIT hace varios años para disparar microbalas para probar la resistencia de los materiales de película de polímero y grafeno. Esta vez, los investigadores esencialmente estaban probando la bala en sí.
"El impacto de alta velocidad genera una presión muy alta que supera con creces la resistencia del material, ", Dijo Thomas." Esto conduce a una alta plasticidad en el lado de impacto del cubo, mientras que la región superior conserva su estructura inicial, creando en última instancia un gradiente de tamaño de grano a lo largo de su altura ".
Una imagen compuesta de sección transversal de un microcubo plateado impactado en su costado muestra un tamaño de grano decreciente más cerca de donde el cubo deformado golpeó el objetivo. Los científicos de la Universidad de Rice creen que su investigación conducirá a mejores materiales para aplicaciones de alto impacto. Crédito:Thomas Group / Rice University
Los proyectiles originales debían ser lo más perfectos posible. Eso requirió un método de fabricación personalizado, Dijo Thomas. Los cubos para el estudio se sintetizaron como cristales individuales a través del crecimiento de semillas de abajo hacia arriba hasta aproximadamente 1,4 micrones por lado, aproximadamente 50 veces más pequeño que el ancho de un cabello humano.
LIPIT transformó la energía del láser en energía mecánica que impulsó los cubos hacia un objetivo a una velocidad supersónica. Los cubos se colocaron encima de una fina película de polímero que los aisló térmicamente y evitó que el láser mismo los deformara. Cuando un pulso de láser golpea una capa de oro absorbente de película delgada debajo del polímero, la energía láser hizo que se vaporizara. Eso expandió la película de polímero, que lanzó los microcubos.
La distancia recorrida fue pequeña, alrededor de 500 micrómetros, pero el efecto fue grande. Mientras que los experimentos se llevaron a cabo a temperatura ambiente, la temperatura del cubo aumentó en aproximadamente 350 grados Fahrenheit al impactar a 400 metros por segundo y permitió la recristalización dinámica.
El equipo disparó cubos de plata al objetivo en varias orientaciones y midió los resultados del impacto desde todos los ángulos. por dentro y por fuera y desde la nanoescala hacia arriba. Controlar la orientación del impacto del cristal les dio una enorme capacidad para controlar la estructura resultante y potencialmente sus propiedades mecánicas. Dijo Thomas.
Investigadores de la Universidad de Rice (desde la izquierda) Olawale Lawal, Ramathasan Thevamaran, Edwin Thomas y Sadegh Yazdi sostienen modelos de arcilla de cubos deformados que representan los resultados de sus experimentos a microescala. Los investigadores rompieron microcubos de plata a velocidades casi supersónicas para ver cómo la deformación de sus estructuras cristalinas podría hacerlas más fuertes y resistentes. Crédito:Jeff Fitlow / Rice University
Otros procesos industriales producen materiales con granos que pueden variar desde los nanocristalinos hasta los de grano grueso, y, Thomas dijo, ninguna estructura es ideal. Mientras que las estructuras nanocristalinas fortalecen los metales, también aumentan su susceptibilidad a una falla frágil catastrófica debido a la forma en que esos granos localizan la tensión. Los estudios han demostrado que la creación de una estructura de nanogranos en gradiente desde la escala nanométrica hasta la micra puede proporcionar una alta resistencia y al mismo tiempo aliviar tales fallas frágiles mediante una mejor distribución de la tensión.
El proceso de Rice de un solo paso produce tales estructuras con un rango de granos de aproximadamente 10 a 500 nanómetros en una distancia de 500 nanómetros. Eso produce un gradiente al menos 10 veces mayor que las otras técnicas, informaron los investigadores.
También descubrieron que el impacto almacena una considerable energía elástica en el material, que conduce a una recristalización lenta pero continua del metal a temperatura ambiente, aunque el punto de fusión de la plata es superior a 1, 700 grados Fahrenheit. El análisis con microscopio electrónico de las muestras ocho días después del impacto mostró que los cristales todavía estaban buscando el equilibrio. Dijo Thomas.
Además de caminos prometedores para crear metales ultrafuertes y resistentes, los investigadores creen que su trabajo puede influir en otras técnicas modernas de procesamiento de materiales como la pulverización en frío y el granallado.
