美国研究人员开发新方法 用于设计能够承受极端冲击的车用金属和合金

盖世汽车讯 据外媒报道，由康奈尔大学领导的研究团队开发出新方法，用于设计能够承受极端冲击的金属和合金。该方法通过引入纳米尺度减速带来抑制基本跃迁过程，而这一过程可以控制金属材料的变形方式。

（图片来源：康奈尔大学）

这些研究发现或将促进汽车、飞机和装甲设备的发展，使它们能够更好地承受高速冲击、极端高温和压力。该项目由康奈尔大学工程学院（Cornell Engineering）材料科学与工程系的助理教授Mostafa Hassani领导，以及美国陆军研究实验室（ARL）研究人员合作完成。

当以极高的速度受到撞击时，比如高速公路碰撞和弹道冲击，金属材料会立即破裂并失效。其失效原因在于脆化，这些材料在快速变形时会失去延展性（即在不破裂的情况下发生弯曲的能力）。然而，脆化是一个多变的过程：如果人们缓慢弯曲相同的材料，它会变形但不会立即破裂。

金属的可延展性质量源于微小的缺陷（或位错），它们在晶体颗粒中移动，直到遇到障碍。在快速、极端的应变过程中，位错会加速（速度达每秒几公里），并开始与晶格振动（或声子）相互作用，从而产生相当大的阻力。这时就会发生基本跃迁（从热激活滑行到弹道传输），从而产生明显的阻力，最终导致脆化。

Hassani表示：“在金属材料中，人们真正需要的是其吸收能量的能力，而变形或延展性是一个能量吸收机制。在这项研究中，我们希望通过抑制位错的弹道传输，进而防止脆化，使合金即使在非常高的变形速率下也能变形，比如那些在冲击或震动条件下发生的情况。为了抑制弹道位错传输和由此产生的声子阻力，我们采用了将位错运动、滑移限制在纳米尺度的概念。”

Hassani的团队与ARL研究人员合作制造了一种纳米晶铜-钽（Cu-3Ta）合金。纳米晶铜的晶粒非常小，位错运动受到固有限制，并且这种运动进一步被包含在晶粒内的纳米级钽簇限制。

为了测试这种材料，Hassani的实验室使用定制桌面平台，通过激光脉冲来发射球形微弹，这些微弹的大小为10微米，速度可达每秒1公里，比飞机还快。微射弹击中目标材料，相关冲击过程被高速摄像机记录下来。研究人员先用纯铜进行实验，然后使用铜钽材料。他们还在较慢的速度下重复该实验，将球形尖端逐渐推入基材，使其发生凹陷。

然而，最大的挑战在于解析这些数据。关键是追踪在每次撞击和凹陷过程中使用的能量。研究人员开发了一个理论框架，以区分两种机制的贡献，包括在低速下的热激发和在高速下的弹道传输。Hassani表示：“当我们以高速率（冲击速度、反弹速度以及颗粒大小）测量物体时，我们该如何处理数据，以便真正分离出位错-声子阻力所产生的影响，并系统性抑制这种影响呢？”

在传统的金属或合金中，位错可以移动几十微米度，而没有任何阻碍。但在纳米晶铜钽中，位错几乎只能移动几纳米（纳米比微米小1000倍），直至在其轨道上遇阻。这可以有效地抑制脆化。

Hassani表示：“这是我们首次在如此高的速率下观察到这种行为。这只是我们研究的一个微观结构和一种组成。我们可以调整这种组成和微结构来控制位错-声子阻力吗？我们能否预测位错-声子相互作用的程度？这还需要进一步了解。”