Cubos microscópicos de prata foram as balas nos experimentos da Rice University para mostrar como a deformação após o impacto pode tornar os materiais mais fortes e resistentes. Crédito:Thomas Group / Rice University
Cientistas da Rice University estão quebrando microcubos metálicos para torná-los ultra fortes e resistentes, reorganizando suas nanoestruturas com o impacto.
A equipe do Rice relatou em Ciência esta semana que disparar um minúsculo, O cubo quase perfeito de prata em um alvo rígido transforma sua microestrutura de cristal único em uma estrutura de gradiente nano-granulado (GNG).
O objetivo do experimento era aprender como os materiais se deformam sob estresse opressor, como pode ser experimentado por um colete à prova de balas ou uma espaçonave que encontra micrometeoritos. Os pesquisadores acreditam que a criação de uma nanoestrutura gradiente em materiais por meio de deformação os tornará mais dúcteis e, portanto, menos propensos a falhar catastroficamente quando subseqüentemente estressados.
Em última análise, eles querem desenvolver metais nano-granulados que sejam mais resistentes e fortes do que qualquer coisa disponível hoje.
Liderado pelo cientista de materiais Edwin Thomas, William e Stephanie Sick Dean da George R. Brown School of Engineering de Rice, a equipe usou seu equipamento avançado de teste de impacto de projétil induzido por laser (LIPIT) para atirar microcubos em um alvo de silício. O mecanismo permitiu que eles tivessem certeza de que o cubo acertou o alvo diretamente.
O laboratório Thomas desenvolveu a técnica LIPIT há vários anos para disparar microbullets para testar a resistência de materiais de polímero e filme de grafeno. Desta vez, os pesquisadores estavam essencialmente testando a própria bala.
"O impacto de alta velocidade gera uma pressão muito alta que excede em muito a resistência do material, "Disse Thomas." Isso leva a uma alta plasticidade no lado do impacto do cubo, enquanto a região superior mantém sua estrutura inicial, em última análise, criando um gradiente de tamanho de grão ao longo de sua altura. "
Uma imagem composta de seção transversal de um microcubo de prata impactado em sua lateral mostra a diminuição do tamanho do grão mais perto de onde o cubo deformado atingiu o alvo. Os cientistas da Rice University acreditam que suas pesquisas levarão a melhores materiais para aplicações de alto impacto. Crédito:Thomas Group / Rice University
Os projéteis originais precisavam ser os mais perfeitos possíveis. Isso exigia um método de fabricação personalizado, Disse Thomas. Os cubos para o estudo foram sintetizados como cristais únicos via crescimento de sementes de baixo para cima a cerca de 1,4 mícron por lado, cerca de 50 vezes menor que a largura de um cabelo humano.
O LIPIT transformou a potência do laser em energia mecânica que impulsionou os cubos em direção a um alvo em velocidade supersônica. Os cubos foram colocados sobre uma fina película de polímero que os isolou termicamente e evitou que o próprio laser os deformasse. Quando um pulso de laser atinge uma camada de ouro de película fina absorvente sob o polímero, a energia do laser causou sua vaporização. Isso expandiu o filme de polímero, que lançou os microcubos.
A distância percorrida foi pequena - cerca de 500 micrômetros - mas o efeito foi grande. Enquanto os experimentos foram realizados em temperatura ambiente, a temperatura do cubo aumentou cerca de 350 graus Fahrenheit com o impacto a 400 metros por segundo e permitiu a recristalização dinâmica.
A equipe disparou cubos de prata no alvo em várias orientações e mediu os resultados do impacto de todos os ângulos, por dentro e por fora e da nanoescala para cima. O controle da orientação do impacto do cristal deu a eles uma enorme capacidade de controlar a estrutura resultante e, potencialmente, suas propriedades mecânicas, Disse Thomas.
Pesquisadores da Rice University (a partir da esquerda) Olawale Lawal, Ramathasan Thevamaran, Edwin Thomas e Sadegh Yazdi seguram modelos de argila de cubos deformados que representam os resultados de seus experimentos em microescala. Os pesquisadores quebraram microcubos de prata em velocidades quase supersônicas para ver como a deformação de suas estruturas cristalinas poderia torná-los mais fortes e resistentes. Crédito:Jeff Fitlow / Rice University
Outros processos industriais produzem materiais com grãos que podem variar do nanocristalino ao de grão grosso, e, Thomas disse, nenhuma estrutura é ideal. Enquanto as estruturas nanocristalinas tornam os metais mais fortes, eles também aumentam sua suscetibilidade a falhas frágeis catastróficas devido à maneira como esses grãos localizam a tensão. Estudos demonstraram que a criação de uma estrutura de gradiente nano-granulado do nanômetro para a escala de mícron pode fornecer alta resistência, mas aliviar essas falhas frágeis por uma melhor distribuição de tensão.
O processo de arroz de uma etapa faz essas estruturas com uma gama de grãos de cerca de 10 a 500 nanômetros a uma distância de 500 nanômetros. Isso produz um gradiente pelo menos 10 vezes maior do que as outras técnicas, os pesquisadores relataram.
Eles também descobriram que o impacto armazena energia elástica considerável no material, o que leva a uma recristalização lenta, mas contínua do metal à temperatura ambiente, mesmo que o ponto de fusão da prata seja superior a 1, 700 graus Fahrenheit. A análise do microscópio eletrônico de amostras oito dias após o impacto mostrou que os cristais ainda estavam buscando equilíbrio, Disse Thomas.
Além de caminhos promissores para a criação de metais ultrafuros e resistentes, os pesquisadores acreditam que seu trabalho pode influenciar outras técnicas modernas de processamento de materiais, como spray frio e shot peening.
