Lấy cảm hứng từ thiên nhiên, các nhà nghiên cứu tạo ra vật liệu kim loại bền hơn

“Nếu bạn nhìn vào một tấm kim loại dưới kính hiển vi, bạn sẽ thấy nó bao gồm hàng triệu hạt được đóng gói chặt chẽ”,Yuntian Zhu, Giáo sư về khoa học và kỹ thuật vật liệu ởĐại học Bắc California (NC)và là tác giả của bài báo, cho biết. “Kích thước và sự bố trí của những hạt này ảnh hưởng đến đặc tính vật lý của kim loại”.

“Các hạt nhỏ trên bề mặt không những làm cho kim loại cứng hơn, mà còn làm cho nó khó uốn hơn - có nghĩa là không thể kéo dài mà không bị gẫy”,Xiaolei Wu, Giáo sư khoa học vật liệu tại Viện cơ khí thuộc Viện hàn lâm khoa học Trung Quốc và là tác giả chính của bài báo, cho biết. “Nhưng nếu chúng ta giảm dần kích thước của các hạt trong vật liệu, chúng ta có thể làm cho kim loại dễ uốn hơn. Bạn cũng thấy sự thay đổi tương tự về kích thước và sự phân bổ các cấu trúc trong một mặt cắt ngang của xương hoặc một thân cây tre. Tóm lại, bề mặt chung giảm dần của các hạt lớn và nhỏ làm cho toàn thể vật liệu mạnh mẽ hơn và dễ uốn hơn, đó là một sự kết hợp các đặc tính không thể đạt được trong vật liệu thông thường.

“Chúng tôi gọi đây là cấu trúc gradient và bạn có thể sử dụng kỹ thuật này để tùy chỉnh các đặc tính của kim loại”, Wu cho biết thêm.

Wu và Zhu đã phối hợp nghiên cứu thử nghiệm các khái niệm cấu trúc gradient trong một loạt kim loại, bao gồm đồng, sắt, niken và thép không gỉ. Kỹ thuật này cải thiện các đặc tính của tất cả các kim loại trên.

Nhóm nghiên cứu cũng đã thử nghiệm cách tiếp cận mới trong thép IF (interstitial free), được sử dụng trong một số ứng dụng công nghiệp. Nếu thép IF thông thường được làm cho đủ mạnh để chịu được ứng suất 450 megapascals (MPa), nó có độ dẻo rất thấp - thép chỉ có thể được kéo dài đến dưới 5 phần trăm chiều dài của nó mà không bị đứt. Điều này làm cho nó không an toàn. Độ dẻo thấp có nghĩa là một loại vật liệu rất dễ bị thất bại, chẳng hạn như đột nhiên gãyđôi. Vật liệu có khả năng uốn dẻo cao có thể kéo dài, có nghĩa là chúng có nhiều khả năng cung cấpchocon người thời gian để đối phó với một vấn đề trước khi bị gãy hoàn toàn.

Để so sánh, các nhà nghiên cứu tạo ra một loại thép IF với cấu trúc gradient; đó là đủ mạnh để thao tác với ứng suất 500 MPa và đủ dẻo để kéo dài đến 20 phần trăm chiều dài của nó trước khi bị gãy.

Các nhà nghiên cứu cũng quan tâm đến việc sử dụng phương pháp tiếp cận cấu trúc Gradient để làm cho vật liệu có khả năng chịu mòn và có độ bền mỏi tốt hơn.

“Chúng tôi nghĩ rằng đây là một khu vực thú vị mới cho nghiên cứu vật liệu bởi vì nó có một loạt các ứng dụng và nó có thể dễ dàng và không tốn kém khi tích hợp vào quá trình công nghiệp”, Wu nói.