O titânio é forte e leve, apresentando a maior relação resistência/peso de qualquer metal estrutural. Mas processá-lo mantendo um bom equilíbrio de resistência e ductilidade - a capacidade de um metal ser esticado sem quebrar - é desafiador e caro. Como resultado, o titânio foi relegado a usos de nicho em indústrias selecionadas.
Agora, conforme relatado em um estudo recente publicado na revista Science , pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) descobriram um novo e prático caminho a seguir.

A equipe descobriu que poderia usar uma técnica chamada crioforjamento para manipular titânio puro na escala de um bilionésimo de metro (um nanômetro) em temperaturas ultrabaixas para produzir titânio "nanotwined" extra forte sem sacrificar sua ductilidade. .

"Este estudo é a primeira vez que alguém produziu uma estrutura pura nanogerada em material a granel", disse Andrew Minor, líder do projeto do estudo e diretor do Centro Nacional de Elétrons da Fundição Molecular, uma instalação de usuários de nanociência no Berkeley Lab. "Com o titânio nanogerado, não precisamos mais escolher entre resistência e ductilidade, mas podemos alcançar as duas coisas."

Mudanças em pequena escala têm um grande impacto nas propriedades

As propriedades mecânicas dos metais dependem em parte de seus grãos – pequenas áreas cristalinas individuais de padrões atômicos repetidos que formam a estrutura interna do material. Os limites entre os grãos, onde o padrão muda, fortalecem os metais impedindo que os defeitos conhecidos como deslocamentos se movam e enfraquecendo a estrutura do material. Imagine os grãos como ruas e os limites de grãos como semáforos que impedem a passagem de "carros" atômicos.

Uma maneira de fortalecer um metal é simplesmente encolher o tamanho de seus grãos para criar mais limites forjando-o – comprimindo o material em altas temperaturas ou mesmo em temperatura ambiente rolando ou martelando. No entanto, esse tipo de processamento geralmente ocorre às custas da ductilidade - a estrutura interna é quebrada, tornando-a propensa a fraturas. As “ruas” de grãos menores e o aumento de “semáforos” levam a um acúmulo de tráfego atômico e quebra o material.

"A resistência de um material está normalmente correlacionada com o tamanho dos grãos internos - quanto menor, melhor", disse Minor, que também é professor de ciência e engenharia de materiais na UC Berkeley. "Mas alta resistência e ductilidade são geralmente propriedades mutuamente exclusivas."

Digite nanowins. Nanotwins são um tipo específico de arranjo atômico onde os minúsculos limites na estrutura cristalina se alinham simetricamente, como imagens espelhadas uns dos outros. De volta às estradas atômicas, os semáforos nas "ruas" de grãos se transformam em lombadas com uma estrutura nanogerada, tornando mais fácil para os átomos se moverem sem o acúmulo de estresse, mantendo o aumento da força.

Colocando o gêmeo em titânio

Materiais Nanotwinned não são novos. No entanto, fazê-los normalmente requer técnicas especializadas que podem ser caras. Essas técnicas funcionaram para um conjunto selecionado de metais como o cobre e normalmente são usadas apenas para fazer filmes finos. Além disso, na maioria das vezes, as propriedades do filme fino não se traduzem em materiais a granel.

Para criar titânio nanogerado, a equipe de pesquisa usou uma técnica simples, crio-forjamento – manipulando a estrutura do metal em temperaturas ultrabaixas. A técnica começa com um cubo de titânio muito puro (mais de 99,95%) colocado em nitrogênio líquido a menos 321 graus Fahrenheit. Enquanto o cubo está submerso, a compressão é aplicada a cada eixo do cubo. Sob essas condições, a estrutura do material começa a formar limites nanogêmeos. O cubo é posteriormente aquecido a 750 graus Fahrenheit para remover quaisquer defeitos estruturais que se formaram entre os limites gêmeos.

Os pesquisadores submeteram o material recém-formado a uma série de testes de estresse e usaram os microscópios eletrônicos da Molecular Foundry para descobrir a fonte de suas propriedades únicas. Durante esses testes, eles descobriram que o titânio nanogeminado tinha melhor formabilidade porque tem a capacidade de formar novos limites nanogêmeos e desfazer limites previamente formados, os quais ajudam na deformação. Eles testaram o material a temperaturas extremas de até 1.112 graus Fahrenheit, tão quente quanto lava corrente, e descobriram que mantinha sua estrutura e propriedades, demonstrando a versatilidade do material.

Em temperaturas superfrias, o titânio nanogerado é capaz de suportar mais tensão do que o titânio normal, o que é o oposto do que geralmente acontece com a maioria dos metais – em baixas temperaturas, a maioria dos materiais se torna mais quebradiça.

O tamanho e o número dessas estruturas nanogêmeas podem alterar as características do metal.

No caso do titânio, os pesquisadores descobriram que a nanopartícula dobrou a resistência do metal e aumentou sua ductilidade em 30% à temperatura ambiente. Em temperaturas superbaixas, a melhora foi ainda mais dramática – o titânio nanogerado foi capaz de dobrar de comprimento antes de fraturar.

O titânio nanogerado também manteve suas excelentes propriedades em temperaturas relativamente altas, mostrando que essas propriedades persistiriam não apenas no clima temperado da área da baía de São Francisco, mas também no frio extremo do espaço sideral e perto do calor intenso de um motor a jato.

A fabricação de titânio nanogerado usando crioforjamento é potencialmente econômica, escalável para produção comercial e produz um produto facilmente reciclado. Além disso, como Minor afirmou, "Mostramos o mecanismo de nanopartículas em titânio, mas é bem possível que funcione em outros materiais onde a ductilidade é limitante". A partir daqui, os pesquisadores esperam pegar o processo que desenvolveram para o titânio e determinar se ele pode ser aplicado a outros metais. + Explorar mais

Níquel puro nano-geminado extremamente forte com espessura dupla extremamente fina