Чтобы создать сверхпрочный, но легкий металл, команда 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 без нарушения их пластичности, особенно легких металлов, таких как магний, но до сих пор ни одна из групп не могла диспергировать керамические наночастицы в расплавленных металлах», — сказал Сяочунь Ли, главный исследователь исследований и кафедры технологии производства Raytheon в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. «Благодаря вливанию физики и обработки материалов, наш метод прокладывает новый путь для улучшения характеристик многих различных видов металлов за счет равномерного вливания плотных наночастиц для улучшения характеристик металлов для решения проблем в области энергетики и устойчивого развития в современном обществе».Конструкционные металлы — это несущие металлы; они используются в зданиях и транспортных средствах.
Магний, плотность которого составляет всего две трети алюминия, является самым легким конструкционным металлом. Карбид кремния — это сверхтвердая керамика, обычно используемая в промышленных режущих лезвиях.
Метод исследователей по введению большого количества частиц карбида кремния размером менее 100 нанометров в магний добавил значительную прочность, жесткость, пластичность и долговечность при высоких температурах.Новый магний с добавлением карбида кремния продемонстрировал рекордные уровни удельной прочности — сколько веса материал может выдержать до разрушения — и удельного модуля упругости — отношения жесткости материала к весу.
Он также показал превосходную стабильность при высоких температурах.Керамические частицы долгое время считались потенциальным средством повышения прочности металлов.
Однако в случае микрочастиц керамики процесс настаивания приводит к потере пластичности.Напротив, наноразмерные частицы могут повышать прочность, сохраняя или даже улучшая пластичность металлов.
Но наноразмерные керамические частицы имеют тенденцию слипаться, а не диспергироваться равномерно из-за тенденции мелких частиц притягиваться друг к другу.Чтобы решить эту проблему, исследователи диспергировали частицы в расплавленном магниево-цинковом сплаве. Недавно обнаруженная дисперсия наночастиц основана на кинетической энергии движения частиц.
Это стабилизирует дисперсию частиц и предотвращает комкование.Чтобы еще больше повысить прочность нового металла, исследователи использовали метод, называемый кручением под высоким давлением, чтобы сжать его.«Результаты, которые мы получили до сих пор, — это всего лишь малая часть скрытого сокровища нового класса металлов с революционными свойствами и функциональностью», — сказал Ли.Новый металл (точнее называемый металлическим нанокомпозитом) состоит примерно на 14 процентов из наночастиц карбида кремния и на 86 процентов из магния.
Исследователи отметили, что магний является богатым ресурсом и что расширение его использования не нанесет ущерба окружающей среде.Ведущий автор статьи — Лянь-И Чен, который проводил исследование в качестве научного сотрудника лаборатории Ли в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе.
Чен сейчас является доцентом кафедры машиностроения и аэрокосмической техники в Университете науки и технологий Миссури.Среди других авторов статьи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе — Цзя-Цюань Сюй, аспирант в области материаловедения и инженерии; Марта Посуэло, помощник инженера-разработчика; и Дженн-Мин Янг, профессор материаловедения и инженерии.
Другие авторы статьи — Хонгсок Чой из Университета Клемсона; Сяолун Ма из государственного университета Северной Каролины; Санджит Бхоумик из Hysitron, Inc., Миннеаполис; и Сувен Матхаудху из Калифорнийского университета в Риверсайде.Исследование частично финансировалось Национальным институтом стандартов и технологий.