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间隔开的纳米管可以制造出更坚固的金属

来自布朗大学和中国科学院金属研究所的研究人员发现了一种新的方法来使用纳米孪晶 - 金属原子晶格中的微小线性边界,两侧具有相同的晶体结构 - 以制造更强的金属。在“科学”杂志的一篇论文中,研究人员表明,改变孪晶边界之间的间距,而不是始终保持一致的间距,可以显着改善金属的强度和加工硬化率 - 金属在变形时的强度增加。

布朗工程学院的教授高华建表示,这项研究可能指向高性能材料的新制造技术。“这项工作涉及所谓的渐变材料,这意味着其内部构成有一些逐渐变化的材料,”高说。“梯度材料是一个热门的研究领域,因为与均质材料相比,它们通常具有理想的性能。在这种情况下,我们想看看纳米间距的梯度是否会产生新的性质。”

高和他的同事们已经证明,纳米管本身可以改善材料性能。例如,纳米铜已经显示出比标准铜强得多,具有异常高的抗疲劳性。但这是第一项测试可变纳米管间距效应的研究。高和他的同事使用四种不同的组分制造铜样品,每种组分具有不同的纳米管边界间距。间距从29纳米到72纳米不等。铜样品由四种组分的不同组合组成,这四种组分以不同的顺序排列在整个样品的厚度上。然后研究人员测试了每种复合材料样品的强度,以及四种成分的强度。

试验表明,所有复合材料都比制造它们的四种组分的平均强度更强。值得注意的是,其中一种复合材料实际上比其最强的组成部分更强。“举一个类比,我们认为一条链条与其最薄弱的环节一样强大,”高说。“但是在这里,我们的情况是,我们的链条实际上比它最强大的链接更强大,这真的非常令人惊讶。”

其他测试表明,复合材料的加工硬化率也高于其组成成分的平均值。

为了理解这些性能提升背后的机制,研究人员在应变下使用了样品原子结构的计算机模拟。在原子水平上,金属通过位错运动对应变作出响应 - 晶体结构中的线缺陷将原子推出位置。这些位错相互增长和相互作用的方式决定了金属的强度。模拟结果表明,梯度铜中的位错密度远高于普通金属。“我们发现了一种独特的脱位类型,我们称之为集中的脱位束,导致脱位比正常密度大一个数量级,”高说。“这种类型的错位不会发生在其他材料中,这就是为什么这种梯度铜如此强大。”

高说,虽然研究小组使用铜进行这项研究,但纳米线也可以用其他金属生产。因此,纳米管梯度可能会改善其他金属的性质。“我们希望这些研究结果可以激励人们在其他类型的材料中尝试双梯度,”高说。该研究的其他作者是赵成,周浩飞,陆秋红和雷璐。该研究由美国国家科学基金会和中国国家自然科学基金会资助。

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