Aloi Nanostrwythuredig Perfformiad Uchel cyntaf wedi'i argraffu 3D yn Cyfuno Cryfder Uchel a Hydwythedd

Mae tîm o wyddonwyr wedi argraffu 3D aloi entropi uchel nanostrwythuredig cam deuol sy'n rhagori ar ddeunyddiau gweithgynhyrchu ychwanegion eraill o'r radd flaenaf o ran cryfder a hydwythedd. Gallai'r datblygiad arloesol hwn arwain at gydrannau perfformiad uwch ar gyfer cymwysiadau ym meysydd awyrofod, meddygaeth, ynni a chludiant. Gwnaethpwyd y gwaith gan ymchwilwyr ym Mhrifysgol Massachusetts Amherst a Georgia Tech. Wedi'i arwain gan Wen Chen, athro cyswllt peirianneg fecanyddol a diwydiannol yn UMass Amherst, a Ting Zhu, athro peirianneg fecanyddol yn Georgia Tech, fe'i cyhoeddwyd Awst 3 yn y cyfnodolyn Nature.

Dros y 15 mlynedd diwethaf, mae aloion entropi uchel (HEA) wedi dod yn fwy poblogaidd fel patrwm newydd mewn gwyddor deunyddiau. Maent yn cynnwys pum elfen neu fwy mewn cyfrannau bron yn gyfartal, gan roi'r gallu i ddyluniadau aloi greu cyfuniadau unigryw bron yn ddiderfyn. Mae aloion traddodiadol, megis pres, dur di-staen, dur carbon ac efydd, yn cynnwys cyfuniad o un elfen fawr ac un neu fwy o elfennau hybrin.

Mae argraffu 3D, a elwir hefyd yn weithgynhyrchu ychwanegion, wedi dod i'r amlwg yn ddiweddar fel dull datblygu deunydd pwerus. Gall argraffu 3D sy'n seiliedig ar laser gynhyrchu graddiannau tymheredd mawr a chyfraddau oeri uchel, na ellir eu cyflawni trwy ddulliau confensiynol. Fodd bynnag, "nid yw potensial trosoledd manteision cyfunol gweithgynhyrchu ychwanegion a HEA i gyflawni eiddo newydd yn cael ei gyffwrdd i raddau helaeth," meddai Zhu.

Cyfunodd Wen Chen a'i dîm yn Labordy Deunyddiau a Gweithgynhyrchu Aml-raddfa UMass HEA â'r dechnoleg argraffu 3D o'r radd flaenaf, ymasiad gwely powdr laser, i ddatblygu deunyddiau newydd gyda phriodweddau digynsail. Oherwydd bod y broses yn toddi ac yn cadarnhau'r deunydd yn gyflym iawn o'i gymharu â phrosesau metelegol traddodiadol, "rydych chi'n cael microstrwythur gwahanol iawn sydd ymhell o fod yn gydbwysedd," meddai Chen. Mae'r strwythur microsgopig hwn yn edrych fel gwe, sy'n cynnwys haenau bob yn ail o strwythurau nanostar a elwir yn giwbig wyneb-ganolog (FCC) a chiwbig corff-ganolog (BCC), wedi'u hymgorffori mewn crisialau ewtectig microsgopig gyda grŵp cyfeiriadedd ar hap. Mae'r AAU nanostrwythuredig hierarchaidd yn galluogi dadffurfiad cydweithredol y ddau gam.

Dywedodd Chen Wen: "Mae ad-drefnu atomig y microstrwythur anarferol hwn yn cynhyrchu cryfder uwch-uchel yn ogystal â hydwythedd gwell, sy'n anghyffredin oherwydd bod deunyddiau cryf yn gyffredinol yn tueddu i fod yn frau. Mae hyn yn wahanol i gastio metel traddodiadol. gwaith y cryfder, nid yn unig heb golli hydwythedd, ond mewn gwirionedd yn cynyddu hydwythedd ar yr un pryd. I lawer o gymwysiadau, mae'r cyfuniad o gryfder a hydwythedd yn allweddol. Mae gan ein canfyddiadau oblygiadau ar gyfer gwyddor deunyddiau a pheirianneg. Mae'n wreiddiol ac yn gyffrous."

"Mae'r gallu i gynhyrchu HEA gyda chryfder uchel a hydwythedd yn golygu bod y deunyddiau argraffu 3D hyn yn gryfach wrth wrthsefyll anffurfiad cymhwysol, sy'n bwysig ar gyfer dylunio strwythurau ysgafn gyda gwell effeithlonrwydd mecanyddol ac arbedion ynni," meddai Jie Ren, awdur cyntaf y papur .

Arweiniodd grŵp Ting Zhu yn Georgia Tech y modelu cyfrifiannol ar gyfer yr astudiaeth. Datblygon nhw fodel cyfrifiannol o blastigrwydd y crisialau dau gam i ddeall y rôl fecanyddol a chwaraeir gan nanoronynnau FCC a BCC a sut maent yn cydweithio i roi cryfder a hydwythedd cynyddol i'r deunydd.

"Mae ein canlyniadau efelychu yn dangos cryfder syfrdanol ac ymateb caledu nanoronynnau BCC, sy'n allweddol i gyflawni'r synergedd rhagorol o gryfder a hydwythedd yn ein aloion." Dywedodd Zhu Ting, "Gall y ddealltwriaeth fecanistig hon arwain y dyfodol Mae datblygiad AAU printiedig 3D gydag eiddo mecanyddol arbennig yn darparu sylfaen bwysig."

Ar ben hynny, mae argraffu 3D yn arf pwerus i gynhyrchu rhannau geometregol gymhleth ac arfer. Yn y dyfodol, mae trosoledd technoleg argraffu 3D a gofod dylunio aloi enfawr yr AAU yn cynnig nifer o gyfleoedd ar gyfer cynhyrchu rhannau terfynol yn uniongyrchol ar gyfer cymwysiadau biofeddygol ac awyrofod.