Bioinspired材料 - 石墨烯镍复合材料

by Thamarasee Jeewandara , Phys.org

Bioinspired工程策略依赖于实现自然界固有的强度和韧性的组合生物学特性。因此,组织工程师和材料科学家的目标是用有限的资源构建智能的,分层的仿生结构。作为代表性材料,天然珍珠层保持了一种实体结构,可在多种尺度上实现许多可行的增韧机制。与任何合成的工程生物材料不同,这种天然存在的材料表现出强度和韧性的突出组合。

在最近的一项研究中,Yunya Zhang和美国机械和航空航天工程,材料科学和原子探针层析成像部门的同事开发了一种生物激发的Ni / Ni3C复合材料,用Ni模仿珍珠层般的砖 - 砂浆结构。粉末和石墨烯片。他们表明,复合材料的强度提高了73%,延展性仅提高了28%,表明韧性显着提高。

在这项研究中,研究人员开发了石墨烯衍生的镍 - (Ni),钛 - (Ti)和铝 - (Al)基复合材料(Ni-Ti-Al / Ni3C复合材料)的优化材料,该材料保持了高达1000°C。材料科学家们在制造智能二维材料和设计高性能金属基复合材料的工作中推出了一种新方法。复合材料通过界面反应展示了一种实体结构,以开发功能先进的Ni-C基合金,用于高温环境。结果现已发表在Science Advances上。

下一代材料应该具有强度和韧性的特性,尽管它们的追求导致硬度和延展性之间的折衷。在工程材料中,引发的裂缝可以在没有任何防护的情况下快速传播,而生物结构可以允许由无毒且有限的资源构成的分层结构来偏离裂缝开口。一个常见的例子是珍珠母或珍珠母,由文石(CaCO3形式),血小板和生物聚合物组成。在实体结构中,文石小片充当承载的砖,并且生物聚合物充当将文石小片结合在一起的砂浆。在珍珠母断裂期间,矿物桥的结构可以屏蔽裂缝开口,而生物聚合物层消散裂缝能量以防止大规模分层。

材料科学家以前曾试图模仿珍珠层的结构并取得了巨大的成功。然而,所使用的陶瓷和聚合物的固有低塑性限制了它们潜在的机械活性。因此,研究人员希望克服珍珠层的结构,使其具有更强的成分,如金属复合材料,这是一项更具前景但更具挑战性的任务。科学家之前使用镍(Ni)及其合金在不同的应用中由于在高温和极端环境中的兼容性而具有出色的机械性能和稳定性。因此,在目前的工作中,张等人。研究了具有类似珍珠层的砖和砂浆结构的石墨烯,高性能镍基复合材料是否可以通过可扩展和可行的程序进行设计。

为此,张等人,首先使用传统的粉末冶金技术,形成了石墨烯交付的Ni / Ni3C复合材料,该复合材料具有特有的生物燃烧,实体结构。它们在剪切混合和冷冻干燥过程中用石墨烯均匀涂覆Ni粉末,并在高温下将碳溶解到Ni中以促进烧结过程。在该过程中形成的Ni3C薄片作为主要负载承载,加强了复合材料,而Ni基质确保了延展性。

由于该方法中引入的强化和增韧机制的混合,最终样品的强度提高了73%,延展性降低了28%,从而引起显着的韧性增强。张等人。然后在石墨烯衍生的复合材料中包括钛(Ti)和铝(Al)以形成作为超合金的Ni-Ti-Al / Ni3C。科学家们建议在不同的材料成分上使用2-D材料粉末,为新的金属基复合材料创造可能性。

然后,他们使用能量色散X射线光谱(EDS)和高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)进行了测试,以研究石墨烯Ni / Ni3C复合材料的微观结构和机械性能。他们证实了新材料的成分,并表明材料在复杂制造过程中没有破裂。石墨烯衍生的Ni / Ni3C复合材料显示出优异的机械性能,使用复合材料的狗骨形样品观察到。科学家们利用当前工作中的综合强度和延展性来表明生物激发的实体结构有效地减轻了强度和韧性之间的冲突。

为了解石墨烯衍生的Ni / Ni3C复合材料的硬化,强化和增韧机制,Zhang等人。进行纳米压痕研究并获得材料的杨氏模量。他们表明,Ni3C血小板增强了新材料的杨氏模量,增加了硬度。所得到的结构显示出硬模和低模量图,以呈现交替的硬 - 软结构。然后使用原子探针断层扫描(APT)图,他们在镍基质中显示出均匀分散的碳原子。

与纯Ni相比,石墨烯衍生的Ni / Ni3C复合材料具有明显的塑性变形和较高的韧性,新材料的结构完整性可以偏离裂缝以防止其开口,就像天然珍珠层一样。科学家还展示了金属桥的外观,以实现有效的裂缝偏转,其中层状结构使裂纹尖端变钝,防止进一步的裂纹扩展,从而通过实验证明Ni / Ni3C的砖 - 砂浆结构有助于韧性和延展性而无需裂纹诱导。

张等人,使用镍合金,因为它们具有出色的耐高温和抗蠕变能力。为了验证高温性能,科学家们将钛(Ti,2%)和铝(Al,2%)添加到Ni /石墨烯粉末中进行烧结。得到的Ni-Ti-Al / Ni3C复合材料也显示出砖 - 砂浆结构和条纹状晶粒。早期的Ni / Ni3C复合材料从室温到300℃保持高硬度,但之后硬度迅速下降。相比之下,此后开发的Ni-Ti-Al / Ni3C复合材料在高达500℃时没有显示出硬度降低。新的复合材料在室温下相对光滑,并且在1000℃下显示出具有不规则颗粒的氧化表面。基于该研究中引入的合金配方和热处理,科学家们提出使用这种新型复合材料来设计下一代高温合金,用于潜在的温度升高应用,包括飞机燃气轮机和航天器机身。

通过这种方式,张和他的同事设计并开发了一种原型石墨烯衍生的Ni / Ni3C复合材料,采用珍珠层风格的实体建筑。他们进行了广泛的表征研究,以研究和了解新开发的复合材料的材料特性。与商业超合金相比,Ni-Ti-Al / Ni3C复合材料在1000℃下显示出优异的强度。科学家们设想了这一有前途的新战略,即设计和合成先进的生物材料,以实现极高的机械强度,适用于材料科学和多学科领域的广泛应用。

原文链接:https://phys.org/news/2019-06-bioinspired-materialsgraphene-enabled-nickel-composites.html

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