Супер

Научные отчеты, том 5, Номер статьи: 15405 (2015) Цитировать эту статью

3668 Доступов

35 цитат

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Металлокомпозиты, армированные УНТ, имеют большой потенциал благодаря своим превосходным свойствам, таким как легкий вес, высокая прочность, низкое тепловое расширение и высокая теплопроводность. Современные механизмы упрочнения композита УНТ/металл в основном основаны на взаимодействии УНТ с дислокациями и присущей УНТ высокой прочности. Здесь мы продемонстрировали, что лазерная ударная нагрузка на композит УНТ/металл приводит к образованию нанодвойников высокой плотности, дефекту упаковки и дислокации вокруг границы раздела УНТ/металл. Композиты обладают повышенной прочностью и превосходной стабильностью. Результаты интерпретируются как методами молекулярной динамики, так и экспериментами. Обнаружено, что взаимодействие ударной волны с УНТ создает поле напряжений, намного превышающее приложенное ударное давление, окружающее границу раздела УНТ/металл. В результате нанодвойники зародились при ударном давлении, значительно меньшем критического значения для образования двойников в металлах. Эта гибридная уникальная наноструктура не только повышает прочность, но и стабилизирует ее, поскольку границы нанодвойников вокруг УНТ помогают зафиксировать движение дислокаций.

Углеродные нанотрубки обладают сверхвысокой прочностью, жесткостью, электрическими и термическими свойствами благодаря своей уникальной структуре1,2. Эти превосходные свойства делают УНТ идеальным армированием для нанокомпозитов с металлической матрицей, которые будут использоваться в аэрокосмической и автомобильной промышленности1,3. Эти сильные механические свойства обусловлены исключительными свойствами УНТ, небольшой длиной свободного пробега между соседними УНТ и большими ограничениями, обеспечиваемыми большой площадью поверхности УНТ. В свойствах армирования наноматериалов преобладают их поверхностные характеристики, а не их объемные свойства в армировании микронного масштаба. Уникальные интерфейсы между УНТ и металлической матрицей могут привести к значительному улучшению механических свойств. В настоящее время разработаны различные методы1 для интеграции УНТ в металлы, включая порошковую металлургию, деформационную обработку, обработку из газовой фазы, обработку затвердеванием, электрохимическое и лазерное осаждение. Для дальнейшего упрочнения композитов была предпринята попытка высокоскоростного кручения и прокатки компактных порошковых композитов УНТ/металл для достижения лучших механических свойств4,5. Однако из-за низкой скорости деформации (менее 103/с), присущей этим методам, в механизме упрочнения обычно доминируют дислокационное упрочнение и эффекты закрепления УНТ. В этом исследовании мы представляем новый механизм укрепления границ раздела УНТ/металл ударной нагрузкой.

Пластичность дислокаций в металлических композитах, армированных наноматериалами, контролируется термической и механической активацией источников на границах раздела наноматериал/металл, механизм, который требует флуктуаций, что подразумевает внутреннюю шкалу времени, которая может объяснить заявленную чувствительность к скорости деформации. Это позволяет предположить, что увеличение скорости деформации со 104/с до 106 ~ 107/с, например, при ударном нагружении, может привести к иному режиму. При ударной нагрузке не успевает произойти боковое расслабление и давление нарастает. В композитах УНТ/металл эффект закрепления УНТ также препятствует выходу дислокаций из скоплений, что приводит к высоким напряжениям перед УНТ. В этих условиях пластичность контролируется как высокой скоростью деформации, так и высоким давлением. Когда локальные напряжения перед УНТ превышают критическое напряжение для зарождения двойников, могут образовываться двойники деформации высокой плотности.

Мы представляем атомистическое моделирование шоковых композитов УНТ/металл, в которых чрезвычайно короткие времена сжатия связаны с ударной нагрузкой, и сравниваем микроструктуры со структурами после экспериментальной лазерной ударной нагрузки композитов УНТ/металл. Поперечное сечение лазерно-спеченной структуры схематически показано на рис. 1а. многостенные нанотрубки (МУНТ) интегрируются в железную матрицу посредством лазерного спекания (LS)6 с последующим процессом лазерной ударной упрочнения (LSP). Моделирование молекулярной динамики показывает высокое локальное напряжение, возникающее вокруг границы раздела УНТ/металл, что позволяет образовывать нанодвойники высокой плотности. Как МД-моделирование, так и экспериментальные результаты показывают, что нанодвойники зародились в железной матрице. Зародышевые нанодвойники и МУНТ вместе помогают значительно увеличить прочность и стабилизировать движение дислокаций.