工程师们设计了一种新方法，用于设计能够承受极端冲击的金属和合金，这可能会导致汽车、飞机和装甲的开发，使其能够更好地承受高速冲击、极端热量和压力。
由康奈尔大学领导的合作团队设计了一种新方法，用于设计能够承受极端冲击的金属和合金，这可能会导致汽车、飞机和装甲的开发，使其能够更好地承受高速冲击、极端热量和压力。
该研究发表在材料通讯上，介绍了纳米级的减速带，抑制了控制金属材料变形的基本转变。
该项目由机械和航空工程助理教授莫斯塔法·哈萨尼领导，并与陆军研究实验室（ARL）的研究人员合作。论文的共同首席作者是博士生唐奇和博士后研究员李建雄。
当金属材料以极高的速度被击中时——想想高速公路碰撞和弹道冲击——材料会立即断裂和失效。造成这种失效的原因是脆化——材料在快速变形时失去延展性（即在不破裂的情况下弯曲的能力）。然而，脆化是一个不可预测的过程：如果你以缓慢的速度弯曲同样的材料，它会变形，但不会立即断裂。
金属的可锻性是由于微小缺陷或位错的存在，这些位错在晶体颗粒中移动，直到遇到障碍。在快速、极端的应变过程中，位错加速——以每秒几公里的速度——并开始与晶格振动或声子相互作用，造成相当大的阻力。在这里发生了一个基本转变——从所谓的热激活滑移到弹道传输——导致显著的阻力，并最终导致脆化。
哈萨尼的团队与ARL研究人员合作，创建了一种纳米晶合金，铜-钽合金（Cu-3Ta）。纳米晶铜的晶粒非常小，位错的运动受到固有限制，同时因晶粒内部包含纳米级钽簇而进一步受限。
为了测试该材料，哈萨尼的实验室使用了一个定制的桌面平台，通过激光脉冲发射10微米大小的球形微弹丸，速度可达每秒1公里——比飞机还快。微弹丸击中目标材料，冲击通过高速相机记录下来。研究人员先用纯铜进行了实验，然后用铜-钽合金进行了实验。他们还以较慢的速度重复进行了实验，使用一个球形尖端逐渐推入基材，压入材料中。
在常规金属或合金中，位错可以在没有任何障碍的情况下移动数十微米。但在纳米晶铜-钽合金中，位错几乎只能移动几纳米（是微米的1000倍大小），就在它们停住之前就被阻止了。脆化得到了有效抑制。
“这是我们第一次在如此高的速率下看到这样的行为。而这只是我们研究的一种微观结构和成分，”哈萨尼说。“我们能否调节成分和微观结构，以控制位错-声子阻力？我们能否预测位错-声子相互作用的程度？”
该研究得到了国家科学基金会和陆军研究办公室的支持。
