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高科技新材料“金属木材”研发出来,重量超轻强度超高

关键词 金属木材|2019-02-01 08:51:10|金属加工|来源 资讯分析师
摘要 研究人员的“金属木材”的微观样本。它的多孔结构导致了它的高强度与重量比,使它更接近于天然材料,如木材。高性能的高尔夫球杆和机翼是用钛制成的,钛和钢一样坚固,但重量却是钛的两倍。这些...

       研究人员的“金属木材”的微观样本。它的多孔结构导致了它的高强度与重量比,使它更接近于天然材料,如木材。

      高性能的高尔夫球杆和机翼是用钛制成的,钛和钢一样坚固,但重量却是钛的两倍。这些性质取决于金属原子的堆积方式,但在制造过程中出现的随机缺陷意味着这些材料的强度只有理论上的一小部分。一位建筑师,在单个原子的规模上工作,可以设计和制造出具有更好的强度与重量比的新材料。

      发表在“自然”杂志上的一项新研究科学报告宾夕法尼亚大学工程和应用科学学院、伊利诺伊大学香槟分校和剑桥大学的研究人员正是这样做的。他们建造了一张镍片,它有纳米级的毛孔,使其与钛一样坚固,但重量却是钛的四到五分子一。

孔隙的空隙,以及它们的自组装过程,使得多孔金属类似于一种天然材料,如木材。

      就像木纹孔隙具有传递能量的生物学功能一样,研究人员的“金属木材”中的空隙也可以注入其他材料。在脚手架上注入阳极和阴极材料将使这种金属木材具有双重功能:飞机机翼或假肢,这也是一个电池。

      这项研究由宾夕法尼亚工程学院机械工程和应用力学系助理教授JamesPikul领导。伊利诺伊大学香槟分校的比尔·金(Bill King)和保罗·布劳恩(Paul Braun)以及剑桥大学的维克拉姆·德什潘德(Vikram Deshpande)为这项研究做出了贡献。

      即使是最好的天然金属在原子排列上也有缺陷,限制了它们的强度。如果钛块中的每个原子都与其近邻完美地排列在一起,那么它的强度将是目前所能产生的钛块的10倍。材料研究人员一直试图利用这一现象,采取建筑方法,设计具有必要几何控制的结构,以解开纳米尺度产生的力学性能,在纳米尺度上,缺陷减少了冲击。

      皮库尔和他的同事们把他们的成功归功于从自然界得到启示。

      皮库尔说:“我们称它为金属木材的原因不仅仅是它的密度,也就是木材的密度,而是它的细胞性质。”“细胞材料是多孔的;如果你看木纹,你看到的是厚厚的、致密的、用来支撑结构的部分,以及用来支持生物功能的多孔部分,比如往返细胞的运输。”

      “我们的结构很相似,”他说。“我们有厚厚的区域,有坚固的金属支柱,也有多孔的气隙区域。我们只是在长度尺度上操作,支柱的强度接近理论上的最大值。”

      研究人员的金属木材中的支柱大约有10纳米宽,大约有100个镍原子。其他方法包括使用类似3D打印的技术来制作100纳米精度的纳米脚手架,但是这个缓慢而艰苦的过程很难达到有用的尺寸。

      “我们知道变小会让你变得更强壮,”皮库尔说,“但是人们没有能力用强大的材料制造这些结构,这些材料足够大,你可以做一些有用的事情。”大多数用坚固材料制成的例子都有一只小跳蚤那么大,但是用我们的方法,我们可以制造出400倍大的金属木材样品。

      Pikul的方法从直径几百纳米的微小塑料球开始,悬浮在水中。当水慢慢蒸发时,球就像炮弹一样沉淀和堆积,提供了一个有序的、结晶的框架。使用电镀,同样的技术,添加了一层薄铬的拥抱帽,然后研究人员渗透到塑料球镍。一旦镍到位,塑料球被溶剂溶解,留下一个开放的金属支柱网络。

      皮库尔说:“我们用这种金属木片制作了大约一平方厘米大小的箔,或者说,它的尺寸和演奏模具的尺寸差不多。”“为了给你一个尺度的感觉,在一块大小的镍棒中有大约10亿个镍支柱。”

      由于产生的材料中大约有70%是空间,这种镍基金属木材的密度相对于它的强度非常低。当密度与水的密度相当时,一块砖块就会浮起。

      在商业规模上复制这个生产过程是团队的下一个挑战。与钛不同的是,这些材料本身并不是特别罕见或昂贵的,但与它们在纳米尺度上合作所需的基础设施目前是有限的。一旦基础设施得到发展,规模经济应使生产大量金属木材的速度更快、成本更低。

      一旦研究人员能够生产出更大尺寸的金属木材样本,他们就可以开始对其进行更大规模的测试。例如,更好地理解其拉伸性能是至关重要的。

      “例如,我们不知道我们的金属木材是会像金属一样撞击,还是会像玻璃一样破碎。”皮库尔说。“就像钛中的随机缺陷限制了它的综合强度一样,我们需要更好地了解金属木材支柱中的缺陷是如何影响其整体性能的。”

      与此同时,Pikul和他的同事们正在探索其他材料可以被整合到金属木材脚手架的孔隙中的方法。

      皮库尔说:“这项工作的长期有趣之处在于,我们使一种材料具有与其他超高强度材料相同的强度特性,但现在它是70%的空隙。”“总有一天,你可以用其他的东西填满这个空间,比如生物或储存能量的物质。”

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