纳米孪晶钛打造可持续制造之路

钛强度高且重量轻，是所有结构金属中强度重量比最高的。但是在保持强度和延展性(金属在不断裂的情况下被拉出的能力)的良好平衡的同时对其进行加工具有挑战性且成本高昂。因此，钛已被降级为特定行业的利基用途。

现在，正如最近发表在《科学》杂志上的一项研究报道的那样，能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的研究人员发现了一条新的实用的前进道路。

研究小组发现，他们可以利用一种名为低温锻造操纵纯技术钛上在超一米(纳米)的十亿的规模低温下产生特强“nanotwinned”钛在不牺牲任何其延展性.

“这项研究是第一次有人在散装材料中制造出纯纳米孪晶结构，”该研究的项目负责人兼伯克利实验室纳米科学用户设施分子铸造厂国家电子中心主任安德鲁·米诺 (Andrew Minor) 说。“有了纳米孪晶钛，我们不再需要在强度和延展性之间做出选择，而是可以同时实现。”

小规模的变化对属性的影响很大

金属的机械性能部分取决于它们的晶粒——形成材料内部结构的重复原子模式的微小单个结晶区域。晶粒之间的边界，其中图案发生变化，通过阻止称为位错的缺陷移动并削弱材料的结构来增强金属。把晶粒想象成街道，把晶粒边界想象成阻止原子“汽车”通过的红绿灯。

强化金属的一种方法是简单地通过锻造来缩小其晶粒的尺寸以创建更多边界 -通过轧制或锤击在高温甚至室温下压缩材料。然而，这种类型的加工通常以牺牲延展性为代价——内部结构被破坏，使其容易断裂。较小的颗粒“街道”和“红绿灯”的增加导致原子交通堆积并破坏材料。

“材料的强度通常与内部晶粒的大小相关——越小越好，”米诺说，他也是加州大学伯克利分校的材料科学与工程教授。“但高强度和延展性通常是相互排斥的特性。”

输入纳米双胞胎。纳米孪晶是一种特定类型的原子排列，其中晶体结构中的微小边界对称排列，就像彼此的镜像。回到原子道路上，谷物“街道”上的红绿灯变成具有纳米孪晶结构的减速带，使原子更容易移动而不会产生应力，同时保持增加的强度。

将双胞胎放入钛中

纳米孪晶材料并不新鲜。然而，制造它们通常需要昂贵的专门技术。这些技术适用于铜等精选金属，通常仅用于制造薄膜。此外，大多数时候薄膜特性不会转化为大块材料。

为了制造纳米孪晶钛，研究团队使用了一种简单的技术——低温锻造——在超低温下操纵金属的结构。该技术首先将一块非常纯(超过 99.95%)的钛立方体放入负 321 华氏度的液氮中。当立方体被淹没时，立方体的每个轴都会受到压缩。在这些条件下，材料的结构开始形成纳米孪晶边界。立方体后来被加热到 750 华氏度，以去除双边界之间形成的任何结构缺陷。

研究人员对新形成的材料进行了一系列应力测试，并使用 Molecular Foundry 的电子显微镜来揭示其独特性能的来源。在这些测试中，他们发现纳米孪晶钛具有更好的成型性，因为它既能够形成新的纳米孪晶边界，又能够消除先前形成的边界，这两者都有助于变形。他们在高达 1,112 华氏度的极端温度下测试了这种材料，就像流动的熔岩一样热，发现它保持了其结构和特性，证明了材料的多功能性。

在超低温下，纳米孪晶钛能够承受比普通钛更大的应变，这与大多数金属通常发生的情况相反——在低温下，大多数材料变得更脆。

这些纳米孪晶结构的大小和数量可以改变金属的特性。

在钛的情况下，研究人员发现纳米孪晶使金属的强度增加了一倍，并且在室温下将其延展性提高了 30%。在超低温下，这种改进更加显着——纳米孪晶钛在断裂前的长度能够增加一倍。

纳米孪晶钛在相对较高的温度下也保持了其优异的性能，表明这些性能不仅在旧金山湾区的温带气候中持续存在，而且在外太空的极冷和喷气发动机的高温附近也能持续。

使用低温锻造制造纳米孪晶钛具有潜在的成本效益，可扩展用于商业生产，并生产易于回收的产品。此外，正如 Minor 所说，“我们展示了钛的纳米孪晶机制，但它很可能适用于延展性有限的其他材料。” 从这里开始，研究人员希望采用他们为钛开发的工艺，并确定它是否可以应用于其他金属。

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