Команда под руководством исследователей из Школы инженерии и прикладных наук им. Генри Самуэли Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе создала сверхпрочный, но легкий конструкционный металл с чрезвычайно высокими удельной прочностью и модулем, или отношением жесткости к весу. Новый металл состоит из магния, насыщенного плотной и равномерной дисперсией керамических наночастиц карбида кремния. Его можно использовать для создания более легких самолетов, космических кораблей и автомобилей, помогая повысить эффективность использования топлива, а также в мобильной электронике и биомедицинских устройствах.
Чтобы создать сверхпрочный, но легкий металл, команда ученых нашла новый способ диспергировать и стабилизировать наночастицы в расплавленных металлах. Они также разработали масштабируемый метод производства, который может проложить путь к более высокопроизводительным легким металлам. Исследование было опубликовано сегодня в журнале Nature.
«Было высказано предположение, что наночастицы действительно могут повысить прочность металлов, не нарушая их пластичности, особенно легких металлов, таких как магний, но до сих пор ни одна группа не смогла диспергировать керамические наночастицы в расплавленных металлах», - сказал Сяочунь Ли. главный исследователь исследований и председатель Raytheon в области производственной инженерии в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. «Сочетая в себе физику и обработку материалов, наш метод прокладывает новый способ повышения производительности многих различных видов металлов путем равномерного введения плотных наночастиц для повышения производительности металлов для решения проблем энергетики и устойчивого развития в современном обществе."
Конструкционные металлы являются несущими металлами; они используются в зданиях и транспортных средствах. Магний, плотность которого составляет всего две трети плотности алюминия, является самым легким конструкционным металлом. Карбид кремния - это сверхтвердая керамика, обычно используемая в промышленных режущих лезвиях. Исследовательский метод введения большого количества частиц карбида кремния размером менее 100 нанометров в магний значительно повысил прочность, жесткость, пластичность и долговечность при высоких температурах.
Новый магний, пропитанный карбидом кремния, продемонстрировал рекордные уровни удельной прочности - какой вес материал может выдержать до разрыва - и удельный модуль - отношение жесткости материала к весу. Он также показал превосходную стабильность при высоких температурах.
Керамические частицы долгое время рассматривались как потенциальный способ сделать металлы прочнее. Однако с микроразмерными керамическими частицами процесс инфузии приводит к потере пластичности.
Наноразмерные частицы, напротив, могут повышать прочность при сохранении или даже улучшении пластичности металлов. Но наноразмерные керамические частицы склонны слипаться, а не распределяться равномерно, из-за тенденции мелких частиц притягиваться друг к другу.
Чтобы решить эту проблему, исследователи растворили частицы в расплавленном магниево-цинковом сплаве. Недавно обнаруженная дисперсия наночастиц основана на кинетической энергии движения частиц. Это стабилизирует дисперсию частиц и предотвращает их комкование.
Чтобы еще больше повысить прочность нового металла, исследователи использовали для его сжатия метод, называемый скручиванием под высоким давлением.
«Результаты, которые мы получили до сих пор, - это лишь малая часть скрытого сокровища нового класса металлов с революционными свойствами и функциональностью», - сказал Ли.
Новый металл (более точно называемый металлическим нанокомпозитом) состоит примерно из 14 процентов наночастиц карбида кремния и 86 процентов из магния. Исследователи отметили, что магний является обильным ресурсом, и расширение его использования не нанесет ущерба окружающей среде.
Ведущий автор статьи - Лиан-Йи Чен, который проводил исследование в качестве постдокторанта в Научной лаборатории Ли в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. В настоящее время Чен является доцентом кафедры машиностроения и аэрокосмической техники в Университете науки и технологий штата Миссури.
Другие авторы статьи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе включают Цзя-Цюань Сюй, аспиранта в области материаловедения и инженерии; Марта Посуэло, помощник инженера-разработчика; и Дженн-Минг Янг, профессор материаловедения и инженерии.
Другими авторами статьи являются Хонсок Чой из Университета Клемсона; Сяолун Ма из Университета штата Северная Каролина; Санджит Бхоумик из Hysitron, Inc., Миннеаполис; и Сувин Матаудху из Калифорнийского университета в Риверсайде.
Исследование частично финансировалось Национальным институтом стандартов и технологий.