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Scientific Reports volume 5, Número do artigo: 15405 (2015) Citar este artigo

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Os compósitos metálicos reforçados com CNTs têm grande potencial devido às suas propriedades superiores, como leveza, alta resistência, baixa expansão térmica e alta condutividade térmica. Os atuais mecanismos de fortalecimento do compósito CNT/metal dependem principalmente da interação dos CNTs com discordâncias e da alta resistência intrínseca do CNT. Aqui nós demonstramos que o choque do laser que carrega o composto CNT/metal resulta em nanotwins de alta densidade, falha de empilhamento, deslocamento ao redor da interface CNT/metal. Os compósitos exibem maior resistência com excelente estabilidade. Os resultados são interpretados por simulação de dinâmica molecular e experimentos. Verificou-se que a interação da onda de choque com os NTCs induz um campo de tensão, muito maior do que a pressão de choque aplicada, ao redor da interface NTC/metal. Como resultado, os nanogêmeos foram nucleados sob uma pressão de choque muito menor do que os valores críticos para gerar gêmeos em metais. Essa nanoestrutura híbrida exclusiva não apenas aumenta a resistência, mas também a estabiliza, pois os limites nanotwin ao redor dos CNTs ajudam a fixar o movimento de deslocamento.

Os nanotubos de carbono exibem super alta resistência, rigidez, propriedades elétricas e térmicas devido às suas estruturas únicas1,2. Essas propriedades superiores tornam o CNT um reforço ideal para compósitos nanocompósitos de matriz metálica a serem usados ​​nas indústrias aeroespacial e automotiva1,3. Essas fortes propriedades mecânicas são devidas às propriedades excepcionais dos NTCs, ao pequeno caminho livre médio entre os NTCs vizinhos e à grande restrição fornecida pela alta área superficial dos NTCs. As propriedades do reforço de nanomateriais são dominadas por suas características de superfície, em vez de suas propriedades a granel em reforços de microescala. As interfaces únicas entre os NTCs e a matriz metálica podem levar a melhorias significativas nas propriedades mecânicas. Atualmente, vários métodos1 foram desenvolvidos para integrar CNTs em metais, incluindo metalurgia do pó, processamento de deformação, processamento em fase de vapor, processamento de solidificação, eletroquímica e deposição a laser. A fim de fortalecer ainda mais os compósitos, torção e laminação de alta velocidade de compósitos CNT/metal compactos em pó foram tentados para alcançar melhores propriedades mecânicas4,5. No entanto, devido à baixa taxa de deformação intrínseca (inferior a 103/s) desses métodos, o mecanismo de reforço é geralmente dominado pelo reforço por deslocamento e pelos efeitos de pining dos NTCs. Neste estudo, apresentamos um novo mecanismo para fortalecer as interfaces CNT/metal por carga de choque.

A plasticidade de deslocamento em compósitos metálicos reforçados com nanomateriais é controlada pela ativação térmica e mecânica de fontes nas interfaces nanomateriais/metal, um mecanismo que requer flutuações, implicando uma escala de tempo intrínseca que poderia explicar a sensibilidade à taxa de deformação relatada. Isso sugere que um aumento da taxa de deformação de 104/s para 106 ~ 107/s, como em uma carga de choque, pode resultar em um regime diferente. Durante a carga de choque, o relaxamento lateral não tem tempo para ocorrer e a pressão aumenta. Em compósitos CNT/metal, o efeito pinning dos CNTs também dificulta o escape de deslocamentos de empilhamentos levando a altas tensões na frente dos CNTs. Nessas condições, a plasticidade é controlada tanto pela alta taxa de deformação quanto pela alta pressão. Quando as tensões locais na frente dos NTCs excedem a tensão crítica para a nucleação de gêmeos, gêmeos de deformação de alta densidade podem ser formados.

Apresentamos simulações atomísticas de compósitos CNT/metal submetidos a choques, nas quais escalas de tempo de compressão extremamente curtas estão associadas a carregamento de choque e comparamos as microestruturas com aquelas após carregamento experimental de choque a laser de compósitos CNT/metal. A seção transversal da estrutura sinterizada a laser é mostrada esquematicamente na Fig. 1a. Nanotubos de paredes múltiplas (MWNTs) são integrados à matriz de ferro por sinterização a laser (LS)6, seguida pelo processo de laser shock peening (LSP). A simulação de dinâmica molecular revela o alto estresse local construído em torno da interface CNT/metal, permitindo assim formações de nanotwins de alta densidade. Tanto a simulação MD quanto os resultados experimentais mostram que os nanogêmeos foram nucleados na matriz de ferro. Os nanogêmeos nucleados e MWNTs juntos ajudam a aumentar muito a força e estabilizar o movimento de deslocamento.