Conception métallique de nouvelle génération, un atome à la fois

Comment les études sur la fabrication des métaux peuvent-elles mener à une durée de vie plus longue des batteries et à des voitures plus légères ? Tout revient à la physique.

Des chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) ont étudié les effets des forces physiques sur les minéraux en examinant directement les changements au niveau atomique des minéraux subissant une déformation par cisaillement.

Une force est appliquée pendant la déformation de cisaillement pour modifier un métalLa forme réorganise également les atomes, mais pas de la même manière pour chaque métal ou alliage. L’arrangement des atomes peut affecter les propriétés du métal telles que la résistance, la formabilité et la conductivité. Une meilleure compréhension de la façon dont les atomes se déplacent pendant le cisaillement est donc une partie importante de l’effort continu pour concevoir des métaux de nouvelle génération avec des propriétés spécifiques d’atome-up.

Cette visualisation constitue la base pour comprendre comment la déformation par cisaillement crée les propriétés améliorées observées dans les métaux fabriqués à l’aide du traitement et de l’extrusion assistés par cisaillement (ShAPE), une innovation du PNNL dans le travail des métaux. Lors de la fabrication de ShAPE, le métal est traité à l’aide de style coulissant Produire des alliages métalliques de haute performance pour une utilisation dans les véhicules et d’autres applications.

“Si nous comprenons ce qui arrive aux métaux au niveau atomique pendant la déformation par cisaillement, nous pouvons utiliser ces connaissances pour améliorer une variété d’autres applications où les métaux sont soumis à la même force – de l’augmentation de la durée de vie de la batterie à la conception de métaux avec des propriétés spécifiques, telles que des briquets, un alliage plus solide pour le bien de Wang, un collègue du laboratoire PNNL et chef de l’équipe de recherche étudiant les forces de déformation induites par le cisaillement, qu’il a appelé le “composé le plus efficace”.

Casse-tête Atome

La force physique est universelle. La force qui est intentionnellement appliquée lors de la fabrication du métal pour former des alliages est la même force qui peut endommager la structure à l’intérieur d’une batterie et provoquer une défaillance éventuelle. Les chercheurs savent également que la déformation par cisaillement peut modifier fondamentalement la microstructure des minéraux de manière à ce qu’ils puissent réparation matérielle— Rend le métal plus solide, plus léger et plus flexible. Mais comment cela s’est produit reste un mystère.

“Si vous photographiez un coureur sur la piste au début et à la fin d’une course, vous pourriez penser qu’il ne bouge pas du tout”, explique Arun Devaraj, scientifique des matériaux au PNNL. « Mais si vous photographiez des coureurs alors qu’ils marchent sur la piste, vous saurez exactement quelle distance ils ont parcourue. Même chose ici. Si nous comprenons exactement ce qui arrive aux métaux au niveau atomique lors de la déformation par cisaillement, nous pouvons appliquer ces connaissances. stratégiquement pour concevoir des matériaux aux propriétés spécifiques.

étalon-or

Pour voir comment la déformation par cisaillement réorganise les atomes métalliques, les chercheurs ont utilisé une sonde spéciale à l’intérieur de l’a microscope électronique à transmission au PNNL, qui est l’un des rares laboratoires au monde à disposer de ce potentiel. L’équipe de recherche a utilisé un microscope pour enregistrer comment les rangées d’atomes se déplacent dans le minéral pendant la déformation par cisaillement. Ils ont commencé par regarder l’or – l’étalon parce qu’il est plus facile à imaginer au niveau atomique.

Lorsque les chercheurs ont observé l’or passer par le processus de coupe, ils ont vu que les cristaux d’or se brisaient en grains plus petits. Ils ont observé que les défauts naturels dans l’arrangement des atomes d’or modifiaient la façon dont les atomes étaient déplacés par déformation par cisaillement. Il s’agit d’informations utiles car les défauts sont courants dans les métaux lors de la déformation, mais ils ne se comportent pas de la même manière dans tous les métaux, ce qui peut affecter directement les propriétés du métal.

Les défauts de cristal, de taille de grain et de microstructure des métaux peuvent affecter les propriétés du métal, telles que la résistance et la ténacité. C’est pourquoi il est important de comprendre comment la déformation par cisaillement déplace les atomes métalliques et affecte la microstructure globale d’un métal. métal », a déclaré Shuang Li. Le post-doctorant du PNNL et premier auteur de trois études partagent ces résultats.

Ensuite, l’équipe de recherche s’est penchée sur le cuivre. Ils ont noté comment la déformation par cisaillement provoque la formation de nanostructures – une caractéristique structurelle qui rend les métaux plus solides. En observant des alliages de cuivre et de niobium, ils ont découvert que la déformation par cisaillement affecte différemment les atomes dans les phases de cuivre et de niobium de l’alliage. C’est un aperçu qui peut montrer comment les alliages avec certaines propriétés sont fabriqués en utilisant la déformation par cisaillement.

Informations obtenues en étudiant comment cette force affecte le métal pendant le contrôle Processus de fabrication Il peut être traduit et appliqué directement partout où le métal est soumis à la même force physique. Par exemple, fichier niveau atomique Les capacités de visualisation dans PNNL sont également utiles pour comprendre comment les matériaux sont utilisés dans PNNL conditions difficiles (par exemple, les réacteurs nucléaires) ou les applications d’énergie propre (par exemple, les lignes de transport d’hydrogène et les réservoirs de stockage) répondront à la pression externe. Des batteries plus longues, des alliages plus légers pour des composés plus efficaces et des conceptions personnalisées pour les métaux de nouvelle génération avec une meilleure résistance et conductivité peuvent être rendus possibles grâce à une meilleure compréhension de la physique atomique de la fabrication des métaux.

Ces études apparaissent dans trois publications de recherche : Suivi MET in situ de l’évolution de la microstructure induite par le cisaillement dans les alliages Cu-Nb . dans la revue matériel de scénario, Nanotwin aide à la formation inverse des joints de grains à faible angle sous des charges de cisaillement alternées dans la revue matériel d’acte, Et Surveillance in situ de multiples déformations associées à la formation de joints de sous-grains dans des monocristaux de cuivre sous flexion de Lettre de recherche de matériel.