Крио

Исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Лаборатория Беркли) использовали метод, называемый криоковкой, для манипулирования чистым титаном наноразмеров при сверхнизких температурах для производства сверхпрочного «нанодвойника» титана без ущерба для пластичности.

«Это исследование — первый случай, когда кто-то создал чистую нанодвойниковую структуру в объемном материале», — говорит Эндрю Майнор, руководитель проекта исследования и директор Национального центра электронов в Молекулярном литейном заводе, пользовательском центре нанонауки в лаборатории Беркли. «Благодаря нанодвойнику титана нам больше не придется выбирать между прочностью и пластичностью, а вместо этого мы сможем достичь того и другого».

Механические свойства металлов частично зависят от их зерен – отдельных кристаллических областей с повторяющимися атомными узорами, которые формируют внутреннюю структуру материала. Уменьшение размера зерен увеличивает прочность материала, но за счет других качеств, таких как пластичность.

«Прочность материала обычно коррелирует с размером внутренних зерен – чем меньше, тем лучше», – говорит Майнор, – «но высокая прочность и пластичность, как правило, являются взаимоисключающими свойствами».

Нанодвойники — это расположение атомов, при котором границы кристаллической структуры выстраиваются симметрично, как зеркальные изображения. Чтобы создать нанодвойник титана, исследовательская группа использовала криоковку.

Техника начинается с куба из титана чистотой 99,95%+, помещенного в жидкий азот при температуре минус 321° F. Пока куб погружен в воду, к каждой оси куба применяется сжатие. В этих условиях в структуре материала начинают образовываться границы нанодвойников. Позже куб нагревают до 750° F, чтобы удалить любые структурные дефекты, образовавшиеся между границами двойников.

Исследователи обнаружили, что нанодвойникование удвоило прочность металла и увеличило его пластичность на 30% при комнатной температуре. При сверхнизких температурах улучшение было еще более впечатляющим: нанодвойник титана смог удвоиться в длине, прежде чем сломаться.