Aliuminio nanovielių, kurių oksidacija padeda, elastingumas gamtos komunikacijos

Aliuminio nanovielių, kurių oksidacija padeda, elastingumas gamtos komunikacijos

Anonim

Dalykai

  • Mechaninės savybės
  • Nanowires
  • Fizikinė chemija

Anotacija

Oksidacija gali drastiškai pakeisti nanostruktūrų, kurios paprastai turi didelę paviršiaus ir tūrio santykį, mechanines savybes. Tačiau pagrindiniai mechanizmai, apibūdinantys oksidacijos poveikį nanostruktūrų mechaninėms savybėms, dar turi būti apibūdinti. Mes naudojame reaktyviąją molekulinę dinamiką ir parodome, kad oksidacija padidina aliuminio nanovielio elastingumą, o oksido apvalkalas pasižymi superplastiškumu. Oksido apvalkalas sumažina aliuminio dislokacijos branduolio įtempį padidindamas aktyvacijos tūrį ir branduolio vietų skaičių. Amorfinio oksido apvalkalo superplastiškumas atsiranda dėl klampios tėkmės, nes, pažeidus aliuminio ir deguonies ryšius, deguonies difuzija pagerėja žemiau kritinės deformacijos greičio. Deformacijos greičio ir oksidacijos greičio sąveika yra ne tik būtina kuriant aplinkos įrenginius, bet ir kontroliuojančius sąsajos savybes didelio masto deformacijos procesuose.

Įvadas

Nanodangos (NW) sulaukė susidomėjimo kaip potencialūs besiformuojančių elektroninių, optinių ir nanoelektromechaninių prietaisų elementai dėl jų unikalių mechaninių savybių 1, 2, 3, 4 . Nanoskalės medžiagos pasižymi dramatiškai kitokiu deformaciniu elgesiu nei jų birios medžiagos. In situ perdavimo elektronų mikroskopija (TEM) 5, 6, 7, 8 ir molekulinės dinamikos (MD) tyrimai 9, 10, 11, 12, 13 parodė, kad vakuume deformuotų metalinių NW plastiškumas kontroliuojamas branduolių susidarymu ir dislokacijų pabėgimu. nuo laisvųjų paviršių, ir reikalaujama keletu laipsnių didesnių įtempių, nei reikia birių kristalinių medžiagų dislokacijos slydimo mechanizmams. Alternatyviai, amorfiniai NW kambario temperatūroje gali tapti superplastiški ir gali sudaryti ilgas atomines grandines ties lūžio paviršiais 14, 15 . Taigi teiginiai, tokie kaip „mažesnis yra stipresnis“ 4, 16, 17, 18, 19, 20, „mažesnis yra superplastinis“ 14, 15, 21 arba „mažesnis yra švelnesnis“ 22, buvo naudojami apibūdinti nanomedžiagų mechaninėms savybėms. Apskritai, sudėtingi NW tempimo ir gniuždymo bandymai buvo atlikti vakuuminėse kamerose, todėl nebuvo atsižvelgiama į aplinkos poveikį jų mechaninėms savybėms. Didėjant paviršiaus ir tūrio santykiui, oksiduojančios aplinkos įtaka mechaninėms savybėms tampa vis didesnė. Šis poveikis ypač ryškus technologiškai svarbiems lengviems metalams, tokiems kaip Al, Mg ir Ti, kurie turi didelį afinitetą deguoniui. Net esant ypač dideliam vakuumui, pavyzdžiui, esant 10–8 Torr sec O2 (nuorodos 23, 24), oksido sluoksnis ant Al gali susidaryti per kelias sekundes. Remiantis mūsų neseniai atliktu MD tyrimu 22, dėl mažo modulio amorfinio oksido apvalkalo susidarymo buvo prognozuojamas drastiškas Young N modulių sumažėjimas Al NW (skersmuo mažesnis nei 100 nm) mažėjant NW skersmeniui.

Šiame tyrime, naudojant MD modeliavimą, tiriamas vienalaikio oksidacijos ir deformacijos poveikis Al NW savybėms, keliančioms rimtų eksperimentinių iššūkių. Modeliavimas atliekamas naudojant reaktyviosios jėgos lauką (ReaxFF) 25, 26, kuris atspindi krūvio perkėlimą tarp aliuminio ir deguonies molekulių. Parodome, kad oksidacija padidina Al NW elastingumą. Oksido apvalkalas, esantis ant Al NW, sumažina Al šerdies dislokacijos branduolio įtempį, padidindamas aktyvacijos tūrį ir branduolio vietų skaičių. O 2 atmosferoje amorfinio oksido apvalkalas pasižymi superplastikumu, kai klampus srautas sukelia deguonies difuzijos būdu pažeistas Al – O jungtis, mažesnes už kritinę deformacijos greitį. Mes sukūrėme modelį, paaiškinantį ryšį tarp deformacijos greičio ir oksidacijos greičio. Šie rezultatai rodo, kad suprasti aplinkos poveikį mechaninėms NW savybėms svarbu ne tik kuriant nanoskalės prietaisus, bet ir didinant įprastų gamybos procesų efektyvumą. 27, 28, 29, 30 .

Rezultatai

Oksiduoto Al NW formavimas karštojo formavimo ir MD modeliavimuose

1a paveiksle pavaizduotas inžinierius, laikantis 30 cm ilgio liniuotę, stovintį šalia automobilių kėlimo vartų plieno (P20) formos, kuri buvo naudojama karštam štampavimui Al-Mg lydinio (AA5083) lakštu esant 723 K. Slenkamasis kontaktas prie sąsajos sukeltos medžiagos perkėlimas iš Al-Mg lydinio į plieną, pasireiškiantis fragmentais, prilipusiais prie pelėsio paviršiaus 31 . Priklijuotų šiukšlių TEM skerspjūvis parodė, kad NW (kurių skersmuo nuo 20 iki 50 nm) susidarė per paviršius (1b pav.), Panašūs į miniatiūrinį tempimo pavyzdį. Įdomu tai, kad šių NW sudėtį daugiausia sudarė Al ir Mg oksidai 28 . 1b pav. Parodyti oksido NW buvo tolygiai pailgi, kad jų ilgis viršijo jų skersmenį daugiau kaip 200%; todėl jie demonstravo superplastišką elgesį. NW oksidai taip pat gali susidaryti ant lydinio paviršių, vykstant deformacijai aukštoje temperatūroje, ištempiant daug oksidų turinčio paviršiaus, dengiančio Al-Mg lydinio paviršių (1c pav.), Vėl parodant ilgą vienodą pailgėjimą. Iš NW skerspjūvio gauta HR – TEM mikrostruktūra atskleidė, kad kiekvienas atskiras NW oksidas turėjo šerdies apvalkalo struktūrą su Al šerdimi, padengta oksido sluoksniu (1d pav.). Ši šerdies (Al) apvalkalo (oksido) struktūra parodė, kad NW susidarė dėl dinaminės oksidacijos deformacijos metu. NW formavimas skatino paviršiaus sukibimą, o tai kenkė formavimo proceso efektyvumui ir Al paviršiaus kokybei.

Image

a ) Iš P20 rūšies plieno pagamintas štampavimo štampo išorinis paviršius, naudojamas karšto formos kėlimo vartams iš Al-Mg lydinio, AA5083, formuoti. b ) Sąsajos, suformuotos tarp plieninio štampo paviršiaus ir prilipinto Al, skerspjūvio FIB mikrostruktūra (mastelio juosta, 200 nm). c ) AA5083 lydinio paviršiaus, esančio 723 K, deformacija naudojant 0, 04 s – 1 tempimo greitį, parodant į pluoštą panašias oksido struktūras (mastelio juosta, 1 μm). d ) Atskiro pluošto skerspjūvio didelės skiriamosios gebos TEM mikrostruktūra, atskleidžianti jo šerdies apvalkalo (Al šerdies, oksido apvalkalo) struktūrą, susidariusią dėl oksidacijos deformacijos metu (mastelio juosta, 10 nm). e ) nanodalelių modelio (100) skerspjūvis, naudojamas Al deformacijai ir oksidacijai nanoskalėje imituoti. Visi NW buvo dedami į deguonies aplinką, kol jų paviršiuje susidarė ~ 1 nm storio AlO 1.1 sluoksnis. Oksidacijos proceso metu elektroninis krūvis, perkeltas iš Al į O atomus, oksido sluoksnyje davė teigiamai įkrautus Al +1, 5 ir O −1 jonus ir sudarė šerdies apvalkalo nanolaidinę struktūrą su metaline Al šerdimi ir oksido apvalkalu. Po to oksiduoti Al NW buvo tempiami deformuoti O2 (001) kryptimi (mastelio juosta, 2 nm).

Visas dydis

MD modeliavimas buvo naudojamas kaip Nd morfologija 1d pav. Imituotas vieno kristalo Al NW (išsamiau žr. 22 nuorodą) kambario temperatūroje (0, 3 T m ) buvo oksiduotas dėžutėje, kurioje yra aukštas O2 slėgis. Kadangi Al oksidacija yra labai egzoterminis procesas, kai O atomai reaguoja su Al atomais, paviršiuje susidaro amorfinė oksido struktūra. Tokiu būdu buvo suformuotas šerdies apvalkalas, struktūrizuotas šiaurės vakarų kryptimi, kaip parodyta 1e pav. Buvo parodyta, kad Al NW yra padengtas ~ 1 nm storio amorfinio oksido sluoksniu (OC-Al NW), kurio O / Al santykis yra 1, 1, o Youngo modulis yra 25, 5 GPa (nuoroda 22). Kaip parodyta ankstesniuose stebėjimuose, galima formuoti deguonies trūkumo oksido struktūrą, o ant NiAl suformuotos ypač plonos aliuminio oksido plėvelės turėjo AlO 1.3 stechiometriją, kaip nustatyta STM ir DFT 32 . Buvo apskaičiuotas deguonies suvartojimo greitis 30 g s – 1 cm – 2 (nuoroda 22), kuris buvo 10–12 laipsnių didesnis nei eksperimento metu nustatytas. MD tyrimuose NW būdingi deformacijų dydžiai 9, 10, 11, 12, 13 taip pat buvo 10–12 laipsnių didesni už tuos, kurie buvo nustatyti eksperimentiniu būdu, kad modeliuojamos oksidacijos ir deformacijos greičio santykiai būtų palyginami su eksperimentinėmis vertėmis, kuris leido užfiksuoti oksidacijos ir deformacijos greičių sąveiką. Oksidacijos modeliavimas buvo tikslingai atliktas tokiu dideliu greičiu, naudojant aukštą deguonies slėgį (žr. Methods and ref. 22), kad būtų išlaikytas šis santykis. OC-Al NW buvo tempiami naudojant tris skirtingus tempimo koeficientus: 0, 05% ps −1 (5 × 10 8 s − 1 ), 0, 5% ps − 1 (5 × 10 8 s − 1 ) ir 5, 0% ps - 1 (5 × 10 10 s –1 ) tiek vakuume, tiek O2 aplinkoje (daugiau informacijos žr. „Metodai“).

Padidėjęs elastingumas, stebimas Al NW, deformuotas O 2

Al NW ir OC-Al NW įtempių ir deformacijų kreivės, gautos esant pastoviam 0, 05% ps − 1 tempimo greičiui, parodytos 2a pav. Vakuume išbandytas Al NW (2a pav.) Pasižymėjo aukštu tempimo (išeigos) stiprumu, po kurio įvyko lūžis, esant žemai deformacijai, tuo tarpu tomis pačiomis sąlygomis išbandytas OC-Al NW turėjo mažesnį stiprumą, bet žymiai didesnį elastingumą. Didžiausias lankstumas buvo stebimas, kai OC-Al NW buvo tiriamas O 2, tai rodo, kad O 2 atmosfera drastiškai padidino šiaurės vakarų lankstumą. Atitinkamos NW mechaninės savybės yra parodytos 1 lentelėje. Al NW, išbandyti vakuume, davė

Image

, kuris atitiko

Image
. Po to staiga krito σ , o Al NW suskilo ties
Image
be kaklo, būtent, beveik trapiu būdu, kaip parodyta 2b pav. OC-Al NW stiprumą iš pradžių kontroliavo Al branduolys, kuris davė
Image
, bet esant mažesniam kamienui
Image
nei Al NW. Tačiau, po Al šerdies lūžio ties Oxo, apvalkalas toliau deformavosi
Image
klampiu srautu ir suformavo kaklą aplink Al lūžio paviršių. Esant ε > 20%, oksido sluoksnis tapo plonesnis, o tuštumos pradėjo formuotis ir augti taip, kad esant ε = 40% susidarytų pavienių Al – O atomų grandinės, kaip parodyta 2c pav. Kai OC-Al NW buvo deformuotas O 2, o ne vakuume, jo išeigos įtempis, kontroliuojamas Al šerdies, buvo mažesnis (
Image
); vis dėlto deformacija vyko esant pastoviam įtempimui dėl klampios oksido gaubto tekėjimo, kuris išlaikė didelę 78, 0% deformaciją, tuo pačiu metu deformuotis tolygiai be kaklo (kaip parodyta 2d pav., kai ε = 60, 0%), kurie yra būdingi bruožai superplastinės deformacijos.

Image

a ) Al ir OC-Al NW deformacijų, deformuotų vakuume ir O 2, įtempio deformacijų kreivių palyginimas, kai deformacijos tempas yra 0, 05% ps − 1 . ( b ) Al NW atominė struktūra, suskaidyta vakuume, kai ε = 12%, parodė beveik trapią lūžį be kaklo. c ) OC-Al NW deformuotas vakuume, kai ε = 40%. Suskaidytas Al šerdyje ir plastiškai deformuotas oksidas paviršiuje sudarė Al – O grandines ir Al lūžio paviršiuje susidarė tuštumos. d ) OC-Al NW deformuotas O 2, kai ε = 60%; tai rodo, kad Al šerdies sritis buvo suskaidyta ir oksidas deformuotas, nenurodant jokio lūžio ar kaklo.

Visas dydis

Pilno dydžio lentelė

Oksido apvalkalas padidino kristalinių Al NW elastingumą

Vakuumoje deformuotos Al NW aukštos išeigos jėgos ir beveik trapios lūžio charakteristikos atitiko ankstesnius MD modeliavimus 9, 33 . 3 paveiksle pateikiama išsidėstymo inicijavimo ir slydimo mechanizmų informacija Al NW. Deformacijos mechanizmai buvo ištirti nustatant kristalų krovimo defektus (SF), naudojant centrosimetrijos parametrą 34, 35 . Paprastai Al NW gavimas pradedamas dėl dalinių Shockley dislokacijų branduolio ties energetiškai palankiais NW paviršiaus kampais. 3a paveiksle parodyta dviejų dalinių dislokacijų, esančių nuo (100) ir (110) briaunų sankirtos šiaurės vakarų paviršiuje, detalės. Šie daliniai išnirimai pasklido slystant ant

Image

slydimo sistema, kur atsirado didžiausias išsiskyręs šlyties įtempis. Dalys išėjo iš šiaurės vakarų paviršiaus, palikdamos SF kristaluose ir staigų streso išsiskyrimą

Image
(2a pav.). Al NW suskilo (at
Image
) skilimo, kuris įvyko išilgai (111) plokštumų, be naujų dislokacijų branduolio.

Image

a ) Al NW susidariusios SF deformavosi vakuume išeigos taške. b ) OC-Al NW Al šerdyje susidariusios SF deformacijos vakuume išeigos taške. c ) OC-Al NW SF deformuotos O 2 išėjimo taške. d ) OC-Al NW susidariusios SF, deformuotos O 2, kai ε = 16%, rodo Lomerio – Kotrynos užrakto formavimąsi. SF buvo vizualizuota naudojant CSP, kur CSP vertė ~ 0, 04 atitinka SF Al FCC gardelėje.

Visas dydis

Paviršiaus oksido sluoksnis lėmė tiek derliaus įtempių sumažėjimą, tiek padidėjusį Al NW elastingumą. Netvarkinga Al / AlO x sąsajos atominė struktūra palengvino Shockley dalinių dislokacijų branduolio susidarymą sąsajoje, taigi palengvino Al šerdies išgavimą OC-Al NW (3b pav.). Stresas, reikalingas dislokacijos branduoliui esant pastoviai temperatūrai ( T ) ir deformacijos greičiui (

Image
) buvo suteikta kaip 36
Image
, kur
Image
atitinka aterminio branduolio įtempį esant 0 K, Q * yra dislokacijos branduolio aktyvacijos energijos barjeras, kai nėra streso,
Image
yra aktyvacijos tūris, k B yra Boltzmanno konstanta, N yra branduolio vietų skaičius, v 0 - atominis virpesių dažnis ir E yra Youngo modulis. Linijinės regresijos analizė
Image
prieš
Image
(pagal 1 lentelėje nurodytas vertes) pateikia nuolydį,
Image
ir perėmimas,
Image
. Iš nuolydžio verčių,
Image
buvo gautas Al-NW, suderinus su vertėmis 1–10 b 3 (nuoroda 36), nurodytomis paviršiaus dislokacijos branduolio susidarymui nanostruktūrose vakuume. Oksido apvalkalas padidino dislokacijos branduolio aktyvacijos tūrį ~ 4 kartus, kaip ir OC-Al NW an
Image
(vakuume) ir
Image
(O2) buvo apskaičiuoti, taip sumažinant Al šerdies išeigos įtempį.
Image
OC-Al-NW vertės buvo žymiai mažesnės nei didelių dislokacijos branduolių (100–1 000 b 3 ), pavyzdžiui, Franko skaitymo šaltiniuose.

Kai OC-Al NW buvo deformuotas O 2 atmosferoje, Shockley dalelių branduolys įvyko Al / AlO x sąsajoje (3c pav.) Tuo pačiu aktyvacijos tūriu, tačiau drastiškai padidėjo dislokacijos branduolių skaičius. pažymėta, kaip akivaizdu dėl padidėjusio SF skaičiaus Al, kai ε = 16, 0%, 3D pav. OC-Al NW dislokacijos branduolio aktyvacijos energija labai priklauso nuo sąsajos struktūros pobūdžio (Al / AlO x ), kai pagrįsta manyti, kad Q * ir

Image
nesikeičia su aplinka. N santykis dviejose aplinkose taip pat gali būti apskaičiuojamas iš σ tiesinio pritaikymo perėmimo.
Image
. Apskaičiuotos OC-Al NW N vertės buvo ~ 7 kartus didesnės O 2, palyginti su vakuumu, todėl dar labiau sumažėjo OC-Al-NW išeigos stipris (2a pav.). Todėl dislokacijos ir dislokacijos sąveikos dažnis Al srityje labai padidėjo. 3d paveiksle parodyti du pavyzdžiai, kai dvi SF susitinka 70, 5 ° kampu, kad susidarytų Lomerio – Kotrynos spynos. Ankstesniuose MD tyrimuose rastas Lomerio ir Kotrynos užrakto susidarymas nanokristaliniame Al, deformuotame vakuume, tačiau didesnio dydžio mėginiams, sudarytiems iš 20–70 nm grūdelių37. Lomerio – Kotrynos spynos ribojo dislokacijos judrumą ir tokiu būdu padidino kristalo stiprumą tarp ε = 14, 0–16, 0% 0, 23 GPa.

Dėl dislokacijų šiaurės vakarų pusėje būtų galima lengvai ištrūkti iš laisvo paviršiaus dėl juos veikiančių vaizdo jėgų 38 . Kita vertus, dislokacijos gali patekti per Al / AlO x sąsają tik tuo atveju, jei oksido sluoksnis turėjo mažesnį šlyties modulį,

Image
, nei Al 38, 39, μ Al . Naujausias mūsų darbas parodė, kad oksido apvalkalas iš tikrųjų turėjo mažesnį Youngo modulį
Image
(
Image
) nei Al su E Al = 61, 2 GPa ( μ Al = 23, 54 GPa) 22 . Vaizdo jėgos F , veikiančios dislokaciją šalia laisvo Al paviršiaus ir šalia Al / AlO x sąsajos, buvo įvertintos naudojant santykį
Image
(nuoroda 39), kur μ Al yra Al šlyties modulis, R yra efektyvusis modulis (išsamiau žr. skyrių „Metodai“).
Image
Al, o r yra atstumas nuo poslinkio iki artimiausio atvaizdo, kurio minimali vertė r = 2 b . Atitinkamai didžiausios vaizdo jėgos vakuume buvo
Image
N m −1 Al NW paviršiaus ir
Image
N m −1 šalia Al / AlO x sąsajos. Vadinasi, kaip
Image
, dislokacijos pabėgimas būtų sutrukdytas OC-Al NW, ir šis ilgas dislokacijų judrumas Al šerdyje padidintų jo elastingumą (atkreipkite dėmesį, kad OC-Al NW lūžio kamienas yra didesnis nei Al NW, kai bandoma vakuume, 2 pav.) ir 1 lentelė).

Amorfinio oksido apvalkalo, deformuoto O 2, superplastiškumas

AlO x apvalkalas deformuotas kolektyviai Al ir O atomų difuzijai pritaikyto deformacijos kryptimi tiek vakuume, tiek O 2 aplinkoje. 4 paveiksle pavaizduoti oksido sluoksnio, ištempto tiek vakuume (4a – e pav.), Tiek O 2 (4f – j pav.), Deformacijos mechanizmai. Vakuume Al – O žiedai atsidarė uždedami (4a pav.). Lūžis buvo pradėtas, kai nutrūko silpnesni homopoliniai O – O ryšiai, po to nutrūko Al – O jungtys. Tuomet Al – O žiedai išsiplėtė mažesnių žiedų sąskaita ir suformavo tuštumas (4b, c pav.), Atsižvelgiant į laisvojo tūrio padidėjimą pailgėjimo metu. Šie tuštumai dar labiau išsiplėtė didėjant deformacijai (4d pav.) Ir galiausiai kakle susidarė Al – O-Al atominės grandinės (4e pav.) (2c pav.). Kai OC-Al NW buvo bandomas esant O 2 atmosferai (4f pav.), Į NW paviršių pasklidęs O 2 buvo chemiškai absorbuotas prie paviršiaus pažeistų Al – O jungčių (4 g pav.) Ir iš pradžių sudarė Al– O – O jungtis (4h pav.). Tuomet šios silpnos homopolinės O – O jungtys buvo sulaužytos esant aukštesnei deformacijai, kai vienas O atomas tapo sujungtas su šalia esančiais Al atomais (4i pav.). Šis mechanizmas „išgydė“ Al – O jungčių tinklą. Tęsiant šį gijimo procesą, OC-Al NW ilgis tolygiai pailgėjo iki stambių kamienų be lūžių ar kaklo. Dėl to struktūroje, ištiestoje po O 2, nesusidarė dideli žiedai (4j pav.). Statistinė tuštumų, susidariusių tarp Al – O žiedų (esant Δε = 0, 4, kaip parodyta papildomame 1 pav.), Analizė patvirtino priešingus Al – O žiedo evoliucijos modelius vakuume ir O 2 . Esant vakuumui, didžiųjų Al-O žiedų (turinčių 16, 18, 20 ir 24 atomus) skaičius padidėjo mažesnių žiedų (turinčių 4, 10, 12 ir 14 atomų) sąskaita kartu su tuštumų susidarymu. O2, priešingai, sumažėjo didesnių žiedų (turinčių 10, 12 ir 14 atomų) skaičius, o mažesnių, 4 atomų, Al – O žiedų skaičius padidėjo dėl gydomojo O2, pasklidusio oksido fazėje, skaičiaus.

Image

( a - e ) Amorfinės oksido struktūros pokyčiai, deformuoti vakuume, ir ( f - j ) O 2 . Vakuumui ( b, c ) rodo tuštumų susidarymą dėl Al – O jungčių suskaidymo ir didesnių žiedų susidarymą mažesnių žiedų sąskaita. ( d, e ) Tolesnė deformacija davė didesnes tuštumas ir susidarė atominės Al – O grandinės lūžio paviršiuje. ( g, h ) parodo, kad, ištempus O2 atmosferoje, O atomai išsisklaido visoje oksido struktūroje ir pritvirtinami prie suskaidytų Al – O grandinių, o tai turi gydomąjį poveikį, kuris leido atitaisyti jungtis, suskaidytas veikiant deformacijai ir paskatinus superplastinė deformacija, slopinanti tuštumos susidarymą ( i, j ).

Visas dydis

Diskusija

Nuolatinė O 2 difuzija paskatino superplastinę oksido apvalkalo deformaciją OC-Al NW, išbandyto O2 aplinkoje, kaip parodyta 2d pav., Kai deformacijos norma yra 0, 05% ps − 1 . Esant tokiam mažam deformacijos greičiui, buvo pakankamai laiko deguonies atomų difuzijai, kad būtų galima atstatyti nutrūkusias Al – O jungtis ir užkirsti kelią kaklo formavimuisi (2d pav.). Todėl tam tikram oksidacijos greičiui pailgėjimo metu turėtų būti kritinė deformacijos norma ε c , žemiau kurios OC-Al NW parodytų plastiškumą. Storio sumažėjimas deformacijos metu buvo kompensuotas padidėjusiu oksido storiu dėl O2 difuzijos ir, kaip parodyta anksčiau, oksido storis išliko pastovus nepriklausomai nuo deformacijos (2d pav.). Atitinkamai pradiniam oksido storiui x 0, darant prielaidą, kad deformacija ε bus naudojama per laiko vienetą

Image

sumažėtų oksido storis Δ x ,

Image

tai kompensuoja oksidacijos procesas. Darant prielaidą, kad oksidacijos greitis yra tiesinis 40, gaunama:

Image

Sujungus 1 ir 2 lygtis ir naudojant C išraišką, pateiktą difuzijos būdu kontroliuojamo augimo modelyje 40,

Image
gali būti išreikšta taip:

Image

čia h yra greičio konstanta dujų ir oksido sąsajoje, k yra greičio konstanta Al – oksido sąsajoje, K yra Henrio dėsnio konstanta,

Image
yra dalinis O 2 slėgis, ir
Image
yra deguonies molekulių skaičius, įterptas į oksido sluoksnio 40 tūrio vienetą. Abi greičio konstantos h ir k padidės su temperatūra ( T ), nes jos atitiks Arrhenijaus tipo santykį. Todėl superplastinius oksidus lengviau pastebėti aukštesnėje temperatūroje ir deguonies turinčioje aplinkoje, pvz
Image
didėja didėjant T ir
Image
. Pranešama, kad oksido storis x 0 išlieka pastovi ~ 3, 8 nm reikšmė Al nanopulveriams, kurių skersmuo didesnis nei 20 nm, 41, 42 . Tai reiškia, kad tikimasi, kad (3) lygtis nepriklauso nuo dydžio tik tada, kai plonojo oksido sluoksnio indėlis į bendrą Al deformaciją yra mažas, o x 0 išlieka pastovus didelių dydžių mėginiuose 22 . Tačiau nanoskalnyje, kai x 0 mažėja atsižvelgiant į Al 41, 42, neatsižvelgiant į kitas nuo dydžio priklausančias savybes, tokias kaip oksidacijos greitis,
Image
padidės mažėjant dydžiui, kad mažesniems Al NW būtų lengviau deformuoti plastiškumą.

Darant prielaidą, kad oksido tankis yra pastovus 2, 78 g cm – 3, Δx buvo apskaičiuotas pagal oksido Al ir O atomų skaičių per laiko vienetą per paskutinius 20 oksidacijos proceso 20 ps, ​​kai C = 4, 48 × 10 –4. nm ps −1 . Taigi kritinė deformacijos norma

Image
buvo apskaičiuotas remiantis (3) lygtimi. MD modeliavimas, atliktas naudojant didesnius deformacijų dydžius - 0, 5% ps −1 ir 5, 0% ps − 1, patvirtino, kad deformacijų rodikliams aukščiau
Image
oksidas neparodė superplastinio elgesio, o OC-Al-NW įtempio ir deformacijos kreivė O2 buvo panaši kaip vakuume, kaip parodyta 5a pav. Kitaip tariant, deformacijos vakuume deformacijos metu deformacijos greitis neturėjo didelės įtakos Al ir OC-Al NW U plastikui ; tačiau U plastikas sumažėjo didėjant deformacijos greičiui, kad esant
Image
% ps −1, OC-Al NW plastinės U plastinės vertės vakuume ir O 2 buvo panašios (1 lentelė). prie
Image
, U plastikas buvo dvigubai didesnis nei O2, palyginti su vakuumu (1 lentelė). Aukščiau pateikto modelio atomistinis argumentas gali būti pateiktas atsižvelgiant į atomų skaičių oksido sluoksnyje (papildomas 2 pav.) Rodo, kad daugiau Al ir O atomų išaugo į oksido sluoksnį, kai OC-Al-NW buvo deformuotas O 2 esant žemam deformacijos laipsniui - 0, 05% ps −1, o O / Al santykis išliko pastovus net esant dideliam deformacijai. Priešingai, vakuume O / Al santykis tempimo metu sumažėjo (žr. Papildomą 3 pav. Ir papildomą diskusiją).

Image

Esant didelei deformacijai, O2 įtempio ir deformacijos kreivės yra panašios į vakuume esančias.

Visas dydis

(3) lygtis gali būti naudojama nustatant

Image
iš eksperimentiškai gautų oksidacijos duomenų 40 . Pavyzdžiui, naudojant reikšmes ref. 43, kur oksidacijos greitis C = 7, 46 × 10 –5 nm s – 1 buvo išmatuotas esant 673 K (
Image
) gryno Al, naudojant oksido storį x 0 = 1 nm, kritinis deformacijos greitis
Image
s - 1 galima nustatyti. Stebėjimai apie šviežius Al lydinių lūžio paviršius, paveiktus tempimo deformacijomis, parodė, kad oksido pluoštai susidarė superplastiškai
Image
s - 1 kaip dinaminės oksidacijos rezultatas 29, 30, 31 . Be to, buvo parodyta, kad sąsajos tarp birių Al-lakštų paviršiaus ir priešingo paviršiaus turi oksido pluoštus, kurie aiškiai parodo tokį superplastinį elgesį, kaip parodyta 1 pav. Kritinis deformacijos greitis, žemiau kurio formuojasi superplastiniai pluoštai,
Image
Tikimasi, kad lydinio sudėtis, temperatūra ir dujų aplinka skirsis nuo 10 iki 3 iki 10–5 s – 1 (nuoroda 30).

Apibendrinant, šis darbas parodė, kad nanosizuotas natūralus Al oksidas žymiai padidino Al NW elastingumą. Ne tik padidėjo dislokacijos aktyvumas Al kristaluose, bet ir išbandžius O 2 atmosferoje, oksido apvalkalas taip pat parodė, kad jis yra plastiškas. Lūžio paviršiuje buvo stebimos Al – O žiedai ir Al – O atominės grandinės, tai rodo, kad, veikiant oksidui tempimo deformacijas, gali būti sukurtos vienmatės ir dvimatės oksido struktūros ir kad šių struktūrų savybės galėtų būti pakeistos O 2 aplinka. Šie nanoskalės rezultatai taip pat patvirtino, kad didelio sukibimo problemas Al gamybos metu dėl superplastinės oksido deformacijos galima valdyti pašalinant deguonį iš aplinkos (naudojant inertinę atmosferą). Todėl galima pritaikyti atmosferos sąlygas nanodalelių mechaninėms medžiagų savybėms pakeisti, siekiant pagerinti jų gamybos procesus pramoniniu mastu. Naudojant „ReaxFF“, kuris gali tiksliau nuspėti Al kaupimosi gedimo energiją ir lydymosi temperatūrą, būtų galima tiksliau pavaizduoti Al deformacijos mechanizmus ir būtų galima sąveikos sąveika su deguonies priemaiša ar oksido apvalkalu.

Metodai

Karšto formavimo eksperimentai

Įtempimo aukštoje temperatūroje bandymai buvo atlikti naudojant įtaisytą karšto formavimo treniruoklį (taip pat veikiantį kaip tribometras), suprojektuotą ir išvystytą Vindzoro universitete, kad būtų galima naudoti vienakrypčius tempimo įtempius esant pastoviam tempimo greičiui ir temperatūrai, kaip aprašyta ref. 29. AA5083 juostelės (H18) (5, 0 mm pločio) buvo tiriamos esant 723 K temperatūrai ir deformacijos greičiui 0, 04 s – 1 . Vienas AA5083 juostos paviršius (išilgai valcavimo krypties) buvo uždėtas slenkančiu kontaktu su P20 klasės įrankinio plieno kaiščiu. Buvo tiriama medžiaga, perkelta iš AA5083 į kaiščio paviršių slydimo sąlyčio metu. AA5083 juostelė buvo išbandyta gautos būklės, tai yra, nepašalinus paviršiaus oksido, susidariusio ankstesnio perdirbimo metu.

Priklijuotos sąsajos mikrostruktūra

Mikrostruktūroms sąsajoje tarp AA5083 ir P20 plieno tirti buvo naudojamos „JEOL 840 SEM“ ir „ZEISS NVision 40 CrossBeam“ darbo vietos (fokusuotas jonų pluoštas (FIB)). 1b pav. Parodyta skerspjūvio mikrostruktūra buvo pagaminta FIB frezavimo būdu. Buvo stengiamasi išvengti jonų pluošto pažeidimo paviršiuje, nusodinant anglies sluoksnį. Tranšėja buvo frezuota, naudojant Ga + jonų pluoštą, esant 30 kV pagreičio įtampai, pluošto srovei nuo 13 nA iki 700 pA. Galutinis poliravimas buvo atliekamas esant žemai 5 kV įtampai ir 80 pA jonų pluošto srovei, kad pavyzdžių spinduliuotės pažeidimai būtų kuo mažesni. Skerspjūvio tranšėjos iš AA5083 deformuotų paviršių taip pat buvo jonizuotos ant deformuotų paviršiaus oksido sluoksnių, parodytų 1c pav. išilgai oksido pluoštų, susidariusių deformacijos metu esant aukštai temperatūrai, ir specifinių vietų TEM pavyzdžiai buvo paruošti FIB iškėlimo metodu iš pasirinktų pluoštų. Vieno oksido pluošto mikrostruktūra (1d pav.) Paimta naudojant JEOL JEM-2100F lauko emisijos TEM, veikiantį 200 kV. 1d pav. Sudėti elektronų dispersinės rentgeno spindulių spektroskopijos vaizdai buvo gauti naudojant EDAX sistemą.

MD modeliavimas

MD modeliavimui buvo naudojamas „ReaxFF“, būtent „ReaxFF“, kaip įdiegta 44 LAMMPS 45, kad būtų galima vienu metu ištirti aliuminio oksidaciją ir deformaciją. „ReaxFF“ sistemoje visa sistemos energija apibrėžiama kaip sudaryta iš sujungimo, kolumbo, per daug suderintos ir van der Waals energijos, o Kulono energijos skaičiavimais nustatomas kiekvieno atomo krūvis kiekviename MD žingsnyje, naudojant elektronų pusiausvyros metodą 46 . Visi MD skaičiavimai buvo atlikti esant pastoviai T = 200 K temperatūrai, naudojant „Nose – Hoover“ termostatą 47, 48 . „ReaxFF“ prognozavo, kad Al lydymosi temperatūra ( T m (MD)) yra 600 K, žemesnė už eksperimentinę vertę ( T m (exp) = 933 K). Taigi visi MD modeliavimai buvo atlikti kambario temperatūroje, 0, 3 T m (MD) arba 200 K. Oksidacijos poveikis Al deformacijai buvo tiriamas dviem etapais. Pirmiausia buvo sukonstruotas 4, 0 nm skersmens ir 10, 2 nm ilgio Al nanoviedis, kurio briaunotas skerspjūvis sudarytas iš {100} ir {110} paviršių, turinčių 8500 Al atomų. Šis Al nanowire buvo periodiškas [001] kryptimi ir buvo dedamas į dėžutę, kurioje yra 4000 O2 molekulių, kurių tankis 188 kartus didesnis nei aplinkos sąlygų. Po 50 ps oksidacijos 0, 9 nm storio amorfinio oksido sluoksnis pasyvizavo Al nanowire paviršių, atlikdamas AlO 1.1 stechiometriją.

Atliekant deformacijos modeliavimą, tempimo deformacija buvo taikoma 0, 5% žingsniu, o struktūrai buvo leista atsipalaiduoti kiekvienam deformacijos žingsniui. Tempimo greitis buvo pakeistas naudojant skirtingus atsipalaidavimo laikus tarp iš eilės einančių deformacijų. Buvo naudojami trys deformacijų greičiai: 0, 05% ps - 1 (5 × 10 8 s – 1 ), 0, 5% ps – 1 (5 × 10 8 s – 1 ) ir 5, 0% ps – 1 (5 × 10 10 s - 1 ). Deformacija buvo vykdoma tol, kol nanoliudas nesulaužė. Virialio teorema buvo naudojama norint gauti inžinerinę įtempio ir deformacijos kreivę [001] kryptimi. Remiantis šia imituota įtempio ir deformacijos kreivė, išeigos įtempis, σ y , išeigos deformacijoje, ε y , buvo apibrėžtas kaip maksimalus įtempis prieš dislokacijos branduolio susidarymą Al, po kurio buvo pastebėtas σ kritimas. Plastikinė energija ( U plastikas ) ir elastinga energija ( U elastinga ) buvo įvertinta pagal plotą po įtempio deformacijos kreivėmis. Buvo apskaičiuota U elastingumas

Image

, o U plastikas buvo apskaičiuotas

Image
arba ties deformacija ties NW lūžiu, arba suformuojant atomiškai storą Al – O grandinę.

Aliuminio SF vizualizavimui buvo naudojamas ATOSYE 35 programos įgyvendintas centrosimetrijos parametro 34 apibrėžimas. Amorfo AlOx plastinės deformacijos buvo atskleistos pasikeitus Al – O ryšių struktūrai, o statistinė trumpiausio kelio žiedų 49 analizė buvo apskaičiuota naudojant RINGS kodą 50 .

Vaizdo jėgos, veikiančios dislokaciją, apskaičiavimas

Vaizdo jėga, tenkanti ilgio vienetui tarp varžto išnirimo su mėsainių vektoriu b , esančio krištolo B viduje, ir jo artimiausio atvaizdo kristaluose A, buvo apskaičiuota taip:

Image

pagal Koehler 39, kur

Image
, μ A ir μ B yra atitinkamai metalų A ir B šlyties modulis, o r yra atstumas tarp dislokacijos ir artimiausio jo vaizdo. Ši formulė buvo naudojama apskaičiuojant maksimalią vaizdo jėgą, darančią dalinį dislokaciją, kai r = 2 b, naudojant Burgerio vektorių
Image
Al kristalų viduje ir kurių gardelės parametras a = 4, 05 Å šalia Al / AlO x sąsajos. Mūsų sistemoje
Image
ir μ B = μ Al, o Al ir AlO x standumo modulius įvertinome pagal apskaičiuotą Youngo modulį (E), naudodamiesi
Image
. Mes priėmėme Puasono santykį (
Image
) kaip 0, 3 Al ir 0, 15 AlO x .

Papildoma informacija

Kaip pacituoti šį straipsnį : Sen, FG ir kt . Aliuminio nanovielių elastingumas dėl oksidacijos. Nat. Bendruomenė. 5: 3959 doi: 10.1038 / ncomms4959 (2014).

Papildoma informacija

PDF failai

  1. 1.

    Papildoma informacija

    Papildomi 1-3 paveikslai ir papildoma diskusija

Komentarai

Pateikdami komentarą jūs sutinkate laikytis mūsų taisyklių ir bendruomenės gairių. Jei pastebite ką nors įžeidžiančio ar neatitinkančio mūsų taisyklių ar gairių, pažymėkite, kad tai netinkama.