Un team di ricerca guidato dalla Cornell University ha ideato un nuovo metodo di progettazione di metalli e leghe in grado di resistere a impatti estremi che potrebbe contribuire allo sviluppo di automobili, aeromobili e armature in grado di sopportare meglio impatti ad alta velocità, calore estremo e stress.
Un gruppo di ricercatori con a capo la Cornell University ha ideato un nuovo metodo di progettazione di metalli e leghe in grado di resistere a impatti estremi, introducendo dossi a velocità su scala di nanometri che sopprimono una transizione fondamentale che controlla il deformazione dei materiali metallici. I risultati potrebbero portare allo sviluppo di automobili, aeromobili e armature che possono sopportare meglio impatti ad alta velocità, calore estremo e stress.
Quando un materiale metallico viene colpito a una velocità estremamente elevata, come per esempio collisioni autostradali e impatti balistici, il materiale si rompe immediatamente. La ragione della rottura sta nel fatto che quando un materiale viene deformato rapidamente, perde la duttilità, cioè la capacità di piegarsi senza rompersi. La fragilità è un processo volubile: se lo stesso materiale viene piegato lentamente, si deformerà ma non si romperà.
Sperimentazioni con rame e rame-tantalum
Il team dell’Università Cornell ha lavorato con i ricercatori dell’Army Research Laboratory (ARL) per creare una lega nanocristallina: Copper-Tantalum (Cu-3ta). I grani del rame nanocristallino sono così piccoli, quindi il movimento delle dislocazioni è intrinsecamente limitato, viene ulteriormente limitato dall’inclusione di cluster nanometri di tantalum all’interno dei grani.
Per testare la capacità di resistere agli impatti del materiale, il laboratorio dell’Università Cornell ha utilizzato una piattaforma da tabletop su misura che lancia, tramite impulso laser, microproiettili sferici di dimensioni di 10 micron e raggiungono velocità fino a 1 chilometro al secondo, più veloci di un aereo. I microproiettili colpiscono un materiale target e l’impatto viene registrato da una fotocamera ad alta velocità. I ricercatori hanno condotto l’esperimento con rame puro, quindi con rame-tantalum. Hanno anche ripetuto l’esperimento a un ritmo più lento con una punta sferica che è stata gradualmente spinta nel substrato, indentandolo.
La più grande sfida era però analizzare i dati per monitorare la quantità di energia utilizzata in ciascun impatto e rientro. I ricercatori della Cornell University hanno sviluppato un quadro teorico per separare i contributi dei due meccanismi: attivazione termica a basso tasso e il trasporto balistico ad alto ritmo.
In un metallo o in lega convenzionale, le lussazioni possono percorrere diverse decine di micron senza barriere. Ma nel rame-tantalum nanocristallino, le dislocazioni potevano a malapena muoversi più di pochi nanometri, che sono 1.000 volte più piccoli di un micron, prima che fossero fermati sulle loro tracce. Il richiamo è stato effettivamente soppresso.
