p As estratégias de engenharia bioinspirada contam com a obtenção das propriedades biológicas combinadas de força e tenacidade inerentes à natureza. Os engenheiros de tecidos e cientistas de materiais pretendem, portanto, construir sistemas inteligentes, estruturas biomiméticas hierárquicas de recursos limitados. Como um material representativo, o nácar natural mantém uma estrutura de tijolo e argamassa que permite muitos mecanismos de endurecimento viáveis ​​em várias escalas. Esses materiais de ocorrência natural demonstram uma excelente combinação de resistência e tenacidade, ao contrário de qualquer sintético, biomaterial projetado. p Em um estudo recente, Yunya Zhang e colegas de trabalho nos departamentos de Engenharia Mecânica e Aeroespacial, A Ciência de Materiais e a Tomografia de Sonda Atômica nos EUA desenvolveram um Ni / Ni bioinspirado ₃ Composto C para imitar a estrutura de tijolo e argamassa semelhante a nácar com pós de Ni e folhas de grafeno. Eles mostraram que o composto alcançou um aumento de 73% na resistência, com um comprometimento de apenas 28% na ductilidade, para indicar uma melhoria notável na tenacidade.

p No estudo, os pesquisadores desenvolveram material otimizado derivado do grafeno, níquel- (Ni), Compósitos à base de titânio (Ti) e alumínio (Al) (Ni-Ti-Al / Ni ₃ Compósito C) que reteve alta dureza de até 1000 ° C. Os cientistas de materiais revelaram um novo método de trabalho para fabricar materiais 2-D inteligentes e desenvolver compósitos de matriz metálica de alto desempenho. Os compósitos exibiram uma estrutura de tijolo e argamassa por meio de reações interfaciais para desenvolver ligas baseadas em Ni-C funcionalmente avançadas para ambientes de alta temperatura. Os resultados agora são publicados em Avanços da Ciência .

p Os materiais de última geração devem combinar inerentemente propriedades de resistência e tenacidade, embora sua busca resulte em um compromisso entre dureza e ductilidade. Em materiais de engenharia, uma fratura iniciada pode se propagar rapidamente sem qualquer escudo, enquanto as estruturas biológicas podem permitir que arquiteturas hierárquicas feitas de recursos não tóxicos e limitados desviem a abertura de fissuras. Um exemplo comum é madrepérola ou nácar, composto por aragonita (forma de CaCO ₃ ), plaquetas e biopolímero. Na estrutura de tijolo e argamassa, as plaquetas de aragonita agem como tijolos para suporte de carga, e o biopolímero atua como uma argamassa unindo as plaquetas de aragonita. Durante a fratura no nácar, a estrutura das pontes minerais pode proteger a abertura da rachadura, enquanto as camadas de biopolímero dissipam a energia de fratura para evitar a delaminação em grande escala.

p Os cientistas de materiais já haviam tentado imitar a arquitetura do nácar com notável sucesso. Contudo, a plasticidade intrinsecamente baixa das cerâmicas e polímeros usados, limitaram sua atividade mecânica potencial. Os pesquisadores, portanto, esperavam clonar a arquitetura do nácar com constituintes mais fortes, como compósitos incorporados ao metal, em uma tarefa mais promissora, porém desafiadora. Os cientistas usaram anteriormente o níquel (Ni) e suas ligas em diversas aplicações devido à compatibilidade em altas temperaturas e ambientes extremos com excelente desempenho mecânico e estabilidade. No presente trabalho, Portanto, Zhang et al. investigado se habilitado com grafeno, compósitos de matriz de Ni de alto desempenho com nácar, A estrutura de tijolo e argamassa pode ser projetada por procedimentos escaláveis ​​e viáveis.

p Por esta, Zhang et al. primeiro formou um Ni / Ni distribuído por grafeno ₃ Composto C com uma característica bioinspirada, arquitetura de tijolo e argamassa usando metalurgia do pó convencional. Eles revestiram homogeneamente os pós de Ni com grafeno durante a mistura por cisalhamento e liofilização e dissolveram o carbono em Ni em altas temperaturas para facilitar o processo de sinterização. Então eu ₃ Plaquetas C formadas durante o processo serviram como principais suportes de carga, fortalecendo os compósitos, enquanto a matriz de Ni garantiu a ductilidade.

p Devido à mistura de mecanismos de reforço e tenacidade introduzidos no método, a amostra final mostrou uma resistência aprimorada de 73 por cento e apenas 28 por cento de redução na ductilidade para causar um aumento notável na tenacidade. Zhang et al. em seguida, incluiu titânio (Ti) e alumínio (Al) no compósito derivado de grafeno para formar Ni-Ti-Al / Ni ₃ C como uma superliga. Os cientistas propõem o uso de pó habilitado para material 2-D em diferentes constituintes de materiais para criar possibilidades para novos compósitos com matriz de metal.

p Eles então conduziram testes para investigar a microestrutura e o desempenho mecânico do Ni / Ni habilitado com grafeno ₃ C composites using energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) and high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM). They confirmed the composition of the new material and showed that the material did not break during the process of intricate manufacture. The graphene-derived Ni/Ni ₃ C composites showed outstanding mechanical performance, observed using dog bone shaped samples of the composites. The scientists used the combined strength and ductility in the present work to indicate that the bioinspired brick-and-mortar architecture efficiently mitigated the conflict between strength and toughness.

p To understand the stiffening, strengthening and toughening mechanisms of the graphene-derived Ni/ Ni ₃ C composite, Zhang et al. conducted nanoindentation studies and obtained the Young's modulus of the material. They showed that the Ni ₃ C platelets enhanced the Young's modulus of the novel material for increased hardness. The resulting structures showing hard and reduced modulus maps to present an alternating hard-soft-structure. Then using atom probe tomography (APT) maps, they showed homogenously dispersed carbon atoms in the nickel matrix.

p The graphene-derived Ni/Ni ₃ C composite showed obvious plastic deformation and higher toughness compared with pure Ni, the structural integrity of the new material could deviate cracks to prevent their opening, much like natural nacre. The scientists also showed the appearance of metal bridges for effective crack deflection, where the layered architecture blunted the crack tip, preventing further crack propagation to experimentally prove the brick-and-mortar architecture of Ni/ Ni ₃ C contributing to toughness and ductility without crack induction.

p Zhang et al. used Ni alloys due to their outstanding capability to withstand high temperatures and creep resistance. To verify high temperature performance, the scientists added titanium (Ti, 2 percent) and aluminum (Al, 2 percent) into the Ni/graphene powders for sintering. The resulting Ni-Ti-Al/Ni ₃ C composite also showed brick-and-mortar architecture and stripe-like-grains. The earlier Ni/ Ni ₃ C composites maintained a high hardness from room temperature to 300 °C, although afterwards the hardness rapidly decreased. In comparison, the Ni-Ti-Al/Ni ₃ C composite developed thereafter, showed no hardness reduction up to 500 °C. The new composites were relatively smooth at room temperature and showed oxidized surfaces with irregular particles at 1000 °C. Based on the alloy recipes and heat treatments introduced in the study, the scientists propose using the novel composites to engineer the next-generation superalloys for potential temperature elevated applications, including aircraft gas turbines and spacecraft airframes.

p Desta maneira, Zhang and colleagues designed and developed a prototypical graphene-derived Ni/Ni ₃ C composite with nacre-inspired brick-and-mortar architecture. They conducted extensive characterization studies to investigate and understand the material properties of the newly developed composites. The Ni-Ti-Al/Ni ₃ C composite showed superior strength at 1000 °C compared to commercial superalloys. The scientists envision this promising new strategy to design and synthesize advanced, bioinspired materials to achieve exceptionally high mechanical robustness for a wide-range of applications in materials science and multidisciplinary fields. p © 2019 Science X Network