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Rapporti scientifici volume 5, numero articolo: 15405 (2015) Citare questo articolo

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I compositi metallici rinforzati con CNT hanno un grande potenziale grazie alle loro proprietà superiori, come leggerezza, elevata resistenza, bassa dilatazione termica ed elevata conduttività termica. Gli attuali meccanismi di rafforzamento del composito CNT/metallo si basano principalmente sull'interazione dei CNT con le dislocazioni e sull'elevata resistenza intrinseca dei CNT. Qui abbiamo dimostrato che il caricamento con shock laser del composito CNT/metallo provoca nanogemelli ad alta densità, difetti di impilamento e dislocazione attorno all'interfaccia CNT/metallo. I compositi mostrano una maggiore resistenza con un'eccellente stabilità. I risultati vengono interpretati sia mediante simulazioni di dinamica molecolare che mediante esperimenti. Si è scoperto che l'interazione dell'onda d'urto con i CNT induce un campo di stress, molto più elevato della pressione d'urto applicata, che circonda l'interfaccia CNT/metallo. Di conseguenza, i nanogemelli sono stati nucleati sotto una pressione d’urto molto inferiore ai valori critici per generare gemelli nei metalli. Questa nanostruttura ibrida unica non solo migliora la forza, ma la stabilizza anche, poiché i confini nanogemelli attorno ai CNT aiutano a bloccare il movimento della dislocazione.

I nanotubi di carbonio mostrano proprietà elettriche e termiche estremamente elevate in termini di resistenza, rigidità e grazie alle loro strutture uniche1,2. Queste proprietà superiori rendono il CNT il rinforzo ideale per i compositi nanocompositi a matrice metallica da utilizzare nell'industria aerospaziale e automobilistica1,3. Queste forti proprietà meccaniche sono dovute alle eccezionali proprietà dei CNT, al piccolo percorso libero medio tra i CNT vicini e al grande vincolo fornito dall'elevata area superficiale dei CNT. Le proprietà del rinforzo dei nanomateriali sono dominate dalle loro caratteristiche superficiali, piuttosto che dalle loro proprietà di massa nei rinforzi su scala micrometrica. Le interfacce uniche tra i CNT e la matrice metallica possono portare a miglioramenti significativi nelle proprietà meccaniche. Attualmente sono stati sviluppati vari metodi1 per integrare i CNT nei metalli, tra cui la metallurgia delle polveri, il trattamento di deformazione, il trattamento in fase vapore, il processo di solidificazione, l'elettrochimica e la deposizione laser. Per rafforzare ulteriormente i compositi, sono stati tentati la torsione e il rotolamento ad alta velocità dei compositi CNT/metallo compatti in polvere per ottenere migliori proprietà meccaniche4,5. Tuttavia, a causa della bassa velocità di deformazione intrinseca (meno di 103/s) di questi metodi, il meccanismo di rafforzamento è generalmente dominato dal rafforzamento della dislocazione e dagli effetti di pining dei CNT. In questo studio, presentiamo un nuovo meccanismo per rafforzare le interfacce CNT/metallo mediante carico d'urto.

La plasticità delle dislocazioni nei compositi metallici rinforzati con nanomateriali è controllata dall'attivazione termica e meccanica delle fonti alle interfacce nanomateriali/metallo, un meccanismo che richiede fluttuazioni, implicando una scala temporale intrinseca che potrebbe spiegare la sensibilità alla velocità di deformazione riportata. Ciò suggerisce che un aumento della velocità di deformazione da 104/s a 106 ~ 107/s, come in un carico d'urto, può comportare un regime diverso. Durante il carico d'urto, il rilassamento laterale non ha il tempo di verificarsi e la pressione aumenta. Nei compositi CNT/metallo, l'effetto fissante dei CNT ostacola anche la fuga delle dislocazioni dovute agli accumuli che portano a tensioni elevate davanti ai CNT. In queste condizioni, la plasticità è controllata sia dall’elevata velocità di deformazione che dall’alta pressione. Quando le sollecitazioni locali davanti ai CNT superano lo stress critico per la nucleazione dei gemelli, si possono formare gemelli di deformazione ad alta densità.

Presentiamo simulazioni atomistiche di compositi CNT/metallo sottoposti a shock, in cui le scale temporali di compressione estremamente brevi sono associate al carico d'urto e confrontiamo le microstrutture con quelle dopo il caricamento sperimentale con shock laser di compositi CNT/metallo. La sezione trasversale della struttura sinterizzata al laser è mostrata schematicamente in Fig. 1a. i nanotubi a parete multipla (MWNT) sono integrati nella matrice di ferro mediante sinterizzazione laser (LS)6, seguita dal processo di pallinatura laser shock (LSP). La simulazione della dinamica molecolare rivela l'elevato stress locale accumulato attorno all'interfaccia CNT/metallo, consentendo così la formazione di nanogemelli ad alta densità. Sia la simulazione MD che i risultati sperimentali mostrano che i nanogemelli erano nucleati nella matrice di ferro. I nanogemelli nucleati e i MWNT insieme aiutano ad aumentare notevolmente la forza e a stabilizzare il movimento della lussazione.