Yon nouvo tan pou Titàn, fè yon metal pi fò, pi bon mache, plis dirab

Pami metal yo, fòs Titàn ak légèreté, rezistans korozyon, ak kapasite yo kenbe tèt ak tanperati ekstrèm gen tan distenge valè li yo, patikilyèman pou pwa- ak aplikasyon pou anviwònman-sansib. Lè li te premye dekri nan fen 18yèm syèk la, yon ko -konsèvatè yo te rele metal la pou titan yo - bondye ki fèt nan Latè ak syèl nan ansyen mitoloji grèk.

Tan te sèlman ekla briye Titàn la. "Mwen se yon syantis materyèl, e konsa moun pafwa mande m ',' Ki sa ki nan eleman pi renmen ou a? '" Di Andre Minè, Pwofesè nan Materyèl Syans ak Jeni. Pou bilding, avyon, misil, veso, ak plis ankò, li te di, "Si ou vle materyèl la pi fò pou pi piti kantite lajan an nan pwa, li nan Titàn. Si nou te kapab, nou ta fè tout bagay soti nan Titàn."

Vreman vre, pou konsèpteur endistriyèl, Prospect nan fò, ki lejè, trè gaz-efikas machin, kamyon, ak avyon, pou egzanp, oswa super bato kago ki reziste, Titàn dwe bagay la nan rèv.

Pwoblèm nan? "Li twò chè," minè di nan endistriyèl-klas Titàn oswa alyaj Titàn ki ta ka otreman ranplase asye lè sèlman pi fò, materyèl ki pi dirab ap sifi. Pri a nan fè Titàn se sou sis fwa pi plis pase sa yo ki an asye pur. Kòm yon rezilta, itilizasyon li yo te rete limite a sa sèlman pati espesyalite pou avyon, -wo fen atik tankou bijou, oswa lòt aplikasyon pou nich.

Ki sa ki nan plis, pi Titàn gen sèlman fòs modere, minè eksplike. Li ka ranfòse ak eleman tankou oksijèn, aliminyòm, molibden, vanadyòm, ak zirkonyòm; Sepandan, ki se souvan nan depans lan nan duktilite - kapasite yon metal yo dwe trase oswa defòme san yo pa fraktur.

Koulye a, apre yon dekad nan rechèch, yon nouvo epòk pou Titàn, ki gen ladan aplikasyon pou jeni anpil elaji, ka apwoche, gras a minè ak kòlèg Berkeley l 'yo, ki gen ladan Mak Asta, Daryl Chrzan, ak JW Morris Jr, tou pwofesè nan depatman an nan syans materyèl ak jeni. Yo te sonde ak prodding Titàn nan nenpòt ki kantite fason nan espwa pou agrandi itilizasyon pratik li yo pou yon varyete aplikasyon estriktirèl oswa jeni.

Nan yon seri de etid, chèchè yo te devlope kritik nouvo Sur sou Titàn, ki gen ladan resèt pou fè pi bon alyaj Titàn kòm byen ke yon teknik kriyo-fòje pou fè endistriyèl-klas Titàn-pwogrè ki ta ka finalman mennen nan plis pri-efikas ak dirab. fabrikasyon.

Yon desen schematic nan pwosesis la cryo-mekanik ki rezilta nan nanotwinned Titàn.

(Ilistrasyon pa Andre Minor)

Enigm oksijèn lan

Li enpòtan ke ou konprann ke pri a nan Titàn se pa akòz rar li yo. Titàn se pa yon metal presye; Olye de sa, li jwenn prèske tout kote atravè mond lan, nan wòch inye tou pre sifas la. Li nan nevyèm eleman ki pi abondan Latè ak katriyèm metal ki pi abondan, epi li ka itilize yo fè bagay sa yo tou de nan fòm pi li yo ak kòm yon alyaj.

Olye de sa, sa ki kondwi pri a twòp nan komèsyal-klas Titàn, minè eksplike, se pwosesis la Kroll konplèks pi souvan itilize fè ba Titàn, lengote, ak lòt fòm metal ki ka fabrike nan pati ki kapab itilize ak lòt pwodwi. Pwosesis la gen ladan itilize nan materyèl chè tankou gaz Agon, epi li se enèji-entansif, ki egzije plizyè fonn nan tanperati ki wo anpil, espesyalman kontwole enpurte oksijèn.

Vreman vre, Titàn ak oksijèn gen yon relasyon mystérieu, youn ki minè, Asta, Chrzan, Morris, ak kòlèg li te vle konprann pi byen. Ekip la te konnen ke se yon malpwòpte oksijèn souvan itilize pou alyaj Titàn hanache yon efè ranfòse ki pisan. Titàn te fè ak jis yon ti ogmantasyon nan kantite lajan an nan oksijèn atomik ka rezilta nan yon metal ak yon ogmantasyon plizyè-pliye nan fòs.

Malerezman, oksijèn nan kapab tou bay yon menm pi gwo diminisyon nan duktilite metal la. Li vin frajil epi yo pral ka zo kase ak kraze.

Men, "oksijèn se toupatou," minè di nan difikilte pou la nan manevr alantou reyaksyon segondè Titàn nan oksijèn. "Se pa kèk malpwòpte vini soti nan materyèl la sous ke ou ka jis evite."

Li karakterize sansiblite Titàn nan oksijèn kòm ekstrèm. "Se vrèman etranj ki jan pwisan li se," Minè di. Li egzèse efè sou metal la, tou de bon ak move, tandiske prezans nan kantite lajan menm jan an nan oksijèn se ensiyifyan pou metal tankou aliminyòm ak asye paske li ka fè fas ak nan pwosesis pi fasil.

Pou aprann plis, ekip la tounen vin jwenn pèfòmans-wo informatique modèl pwosesis la deformation nan Titàn anba estrès ak ak diferan kantite oksijèn. Modèl òdinatè, Asta di, se yon "seri pwisan nan zouti ki kite nou mennen ankèt sou defi sa a eksepsyonèl nan metaliji Titàn."

Nan pi gwo dekouvèt ekip la, yon mélanger nan atòm oksijèn nan estrikti kristal Titàn la lè metal la se anba estrès te vin kle nan konprann pèt la nan duktilite. Nan yon eta ki pa ensiste, molekil oksijèn abite san okenn ensidan nan twou vid ki genyen natirèl ant atòm Titàn. Men, anba fòs mekanik, atòm yo oksijèn ka chefeul nan espas adjasan kote yo bay mwens rezistans nan perturbasyon ki, si yo gaye, febli metal la.

"Oksijèn nan fè pwomosyon yon feblès estriktirèl," di Minè. Kòm fòs mekanik defòme metal la, atòm yo oksijèn deplase, olye ke bloke gaye nan domaj estriktirèl, ka fasilite yon sa yo rele glise planar.

Yon glise plan, Asta di, se tankou yon tranch rid nan domaj nan estrikti kristal metal la ki bati yon sèl sou lòt la, evantyèlman ki mennen ale nan ka zo kase, fant ak yon moso frajil nan metal.

Pou konprann ki jan yon debwatman ka fòme ak gaye nan Titàn, Chrzan sijere visualizing ap eseye pou avanse pou pi yon gwo, gwo tapi.

"Yon tapi gwo anpil ka ranmase nan yon sèl fen ak trennen atravè etaj la nan yon nouvo pozisyon," li te di. Men, yon lòt fason pou avanse pou pi tapi an se kreye yon tranch rid nan yon sèl fen ak Lè sa a, pa mélanger pye ou atravè tèt la nan tapi an, ou ka "mache" tranch rid nan nan fen lòt la. Bay pa gen anyen blòk mouvman li yo, yo pral tapi an tout antye deplase pa yon distans egal a lajè a nan tranch rid la.

Ka sa yo "rid" nan Titàn ka wè ak mikroskopi elèktron. "Ou ka wè tout debwatman yo aliyen, nan ranje," Minè di. "Epi sa a move pou duktilite paske si yo liy leve, li sèlman swiv youn ak lòt, yo pa jwenn anmele moute [e konsa sispann] sa yo ki metal la pa travay kenbe. Ou jwenn yon konsantrasyon estrès, e ke sa a kote ou jwenn yon krak. "

Kreye pi bon alyaj

Estrateji konsepsyon ki entèwonp pwosesis la oksijèn-atòm mélanger oswa ankouraje nanostructures yo sispann glise planè soti nan anpile moute te kapab mennen nan pi bon alyaj. Alloys sa yo ta gen aplikasyon pou, espesyalman nan endistri yo otomobil ak avyon, Minè di.

Pwofesè Andre minè vide likid nitwojèn sou yon echantiyon Titàn, demontre pwosesis la cryo-poud itilize yo kreye nanotwinned Titàn nan laboratwa l 'yo. (Foto pa Adan Lau / Berkeley Jeni)

Pou adrese pwoblèm sa yo ak lòt, ekip la depann sou yon melanj de modèl òdinatè, transmisyon mikroskopi elèktron (TEM), ak lòt modalite D ', ak eksperyans.

"Youn nan bagay sa yo ki te bèl sou pwojè sa a se ke pafwa enfòmatik yo ak teorisyen yo soti yon ti jan devan, ak lòt fwa li nan eksperimantal yo," Asta di. "Nou rankontre souvan epi pale sou rezilta nou yo ak nouvo lide nou yo."

Etid ekip la nan sansiblite oksijèn Titàn la, pou egzanp, mennen nan yon etid nan Titàn alye ak aliminyòm ak oksijèn. Yo te jwenn ke oksijèn embrittlement ta ka elimine pa ajoute ti kantite aliminyòm, espesyalman nan tanperati kriyojenik, ki se anba a -150 degre Sèlsiyis.

Avèk jis kantite lajan yo dwa nan aliminyòm ak oksijèn, ekip la di, yon nouvo kòmann -nan nan estrikti a kristal Titàn anpeche yon mélanger nan atòm oksijèn ki ta mennen nan yon pileup domaj nan perturbasyon ak finalman ka zo kase. Ki sa ki nan plis, paske entwodiksyon an nan aliminyòm redwi sansiblite a oksijèn nan Titàn an jeneral, depans pwosesis yo kreye yon metal ka itilize tou ap redwi.

Nan ankò yon lòt etid, ekip la gade rechèch pral tounen nan ane 1960 yo ki montre ke metal anpil ak alyaj montre ogmantasyon dramatik nan duktilite lè sibi pulsasyon peryodik elektrik pandan deformation nan metal la. Men, mekanis yo kache nan poukisa sa a sa yo rele electroplasticity ta ka vre yo pa klè.

"Electroplasticity ka mennen nan depans redwi pou pwosesis métallurgique depi li pran mwens enèji yo fòme metal ak pulsasyon elektrik pase chofaj metal la tout antye nan yon tanperati ki wo reyalize formability a menm," Minè di. "Enteresan, efè sa a nan electroplasticity se inivèsèl nan ke li te montre yo travay pou esansyèlman chak metal, pa sèlman Titàn."

Ekip la fè tès rupture nan metal la anba twa kondisyon diferan: tanperati chanm ki pa gen okenn kouran elektrik, ak yon batman peryodik elektrik nan 100 milisgond dire, ak yon aktyèl konstan. Paske aplike kouran elektrik chofe metal la, ekip la te enkyete w sou distenge efè yo ki te koze sèlman pa elektrisite nan men sa yo ki te koze pa chalè.

Rezilta yo te montre ke, malgre lè l sèvi avèk yon pi piti batman kè peryodik pase etid anvan yo, metòd la enpulsyonèl-aktyèl amelyore elongasyon a rupture nan alyaj la Titàn kòm byen ke fòs maksimòm li yo. Yo note ke efè sa a te espesifik sèlman nan eksperyans lan enpulsyonèl-aktyèl.

Avèk èd nan TEM yo wè chanjman ki fèt nan estrikti kristal metal la a, rezilta yo sijere ke tretman an enpulsyon-aktyèl siprime debwatman glise planar. Chèchè yo te jwenn ke batman kè elektrik la solid materyèl la ak fristre devlopman nan glise planar pa kenbe yon difize, 3D modèl debwatman ki finalman delivre gwo fòs ak duktilite.

Nanotwinned Titàn

Pi resamman, minè ak Robert Ritchie, pwofesè nan syans materyèl ak jeni mekanik, devlope yon pyonye metòd pwosesis esansyèl fè pi Titàn ki se mwens chè ak pwodiksyon an yon metal ak pi gwo fòs rupture ak duktilite.

Materyèl Syans ak Pwofesè Jeni (ki soti nan bò gòch) Daryl Chrzan, Mak Asta, ak Andre Minè ak ekip la mwen (transmisyon elèktron aberasyon-korije mikwoskòp) pwojè nan Sant Nasyonal Berkeley Laboratwa a pou mikroskopi elèktron. (Foto pa Adan Lau / Berkeley Jeni)

Akote de alyaj, yon lòt fason ranfòse metal estriktirèl se tayè gwosè a nan kristal - ke yo rele tou grenn jaden - ki fè moute metal la lè l sèvi avèk chalè ak pwosesis mekanik, tankou woule oswa peze. Pa diminye gwosè a grenn jaden sub-mikrometri oswa nanomètr, chèchè ka prezante sa yo rele estrikti nanotwinned, oswa domaj nan metal la ki te koze pa aliyen estrikti kristal. Estrikti yo nanotwinned amelyore fòs ak pi ba risk pou yo ka zo kase pa aji kòm yon baryè nan planar glise. Pa adapte espas la ak oryantasyon nan estrikti yo nanotwinned, minè di, pwopriyete yo mekanik ka optimisé menm pi lwen. Men, metòd tradisyonèl pou fè sa pa ni trivial ni bon mache.

Olye de sa, minè, Ritchie, ak kòlèg li yo te entwodwi plizyè estrikti nanotwinned nan pi Titàn pa vle di nan yon pwosesis kriyo-mekanik. Yo te itilize moso ki gen fòm kib Titàn ki te bourade sou twa kote nan nitwojèn likid. Konpresyon an dou, minè di, kontwole dansite nan estrikti nanotwinned ki ranfòse metal la pandan y ap konsève estrikti premye grenn li yo. Pi bon nan tout, pwosesis la pa konte sou chalè entans ak petèt yon fason plis dirab fè Titàn pou yon seri anpil pi laj nan aplikasyon pou pase jodi an.

Pwopriyete mekanik materyèl kriyo-fòje, espesyalman fòs ak duktilite, kenbe nan tanperati ki wo kòm byen ke kriyojenik. Minè di pèfòmans nan Titàn nan nanotwinned fè li ideyal pou bagay sa yo tankou motè jè trè cho kòm byen ke anviwònman trè frèt opere ki ta sijere itilize tankou kenbe bag pou leman superconducting, pati estriktirèl nan tank gaz likid, osi byen ke materyèl yo dwe ekspoze a fon lanmè oswa anviwònman espas gwo twou san fon.

Mande si nouvo pwosesis la fabrike komèsyal-klas Titàn ta ka mennen l 'bay echèl yon sèl jou a byento, minè di, poukisa pa? Li pi difisil fè bagay sa yo tankou pwosesis la Kroll ki nan itilize jodi a, kote materyèl la gen yo dwe izole elektrik ak tout pwosesis la pran kantite lajan masiv nan pouvwa. "Epi sa a kriyo-manje, nou ta jis pou mete bagay sa yo nan yon beny."