ナノ構造金属とは?

ナノ構造金属は、粒径が100ナノメートル未満であることが意図的に設計されている材料のクラスを表しています。このスケールでは、粒径の容積の分岐が劇的に増加し、基本的な機械的および物理的な行動を変えます。従来の粗粒状の金属とは異なり、通常10〜100マイクロメートルの範囲の粒径 - ナノ構造の多様体は、大な強化につながるホールピースの関係を展示します。ファインラ粒は、転写運動を阻害し、それらの特性を増加させ、さらに、強度と強度を向上させます。

金属ナノスケールの定義

「ナノ構造」という用語は、広範囲のスペクトルをカバーしています。ナノ結晶(100nm未満の結晶粒径)、超微細結晶(100〜500nm)、ナノラミネート構造。多くの場合、これらの材料は、重度のプラスチック変形(例えば、等チャンネルの角度押し、高圧境界線)、電極、または粉末の統合によって生成されます。その結果、マイクロ構造は、このような動きや、そのような動きをスライドさせるための重要な動きや、そのような動きなどの重要な動きを、どのようにして、その変化にどのようにして、その影響を分散させるか、その重要な要素の高密度化物を含む。

弾道保護の利点

ナノ構造金属独自の機械的動作は、鎧と保護システムにいくつかの異なる利点を提供します。各利点は、ナノスケール物理学で根ざし、ロールされた均質鎧(RHA)鋼やセラミックコンポジットなどの従来の弾道材料の制限に直接対処します。

  • 強度の増強:]]ホールペッチ効果は、粒径が約10〜15nmに低下するので、強度のほぼ線形増加を提供します。 多くのナノ結晶合金のために、強度値は、粗粒状にされたカウンターパートよりも2〜5倍高いです。 これは、ナノ構造金属の薄いプレートが、より厚い従来のプレートを必要とする脅威を停止することができます。
  • 軽量:] より高い特定の強さ(強度に重量比)は、武装デザイナーが分離密度を削減することを可能にします。例えば、ナノ構造アルミニウム合金またはマグネシウム合金は、特定の車両装甲パネルの鋼を交換することができ、同等の保護を維持しながら30〜50%の切削重量を交換することができます。これは、兵士のモビリティ、燃料効率、および全体的な物流を改善する重要なことです。
  • 改良されたエネルギー吸収:[ ナノ構造金属における高強度および延性の組み合わせは、衝撃中に優れたエネルギー放散をもたらします。ナノスケールの穀物は、より均一な緊張分布を促進し、局所的な故障を遅らせることができます。さらに、穀物境界滑走およびナノスケールのvoid核化などのメカニズムは、摩耗剤または保護された機器に送信された力を減らす、運動エネルギーを吸収することができます。
  • []耐久性:[]ナノ構造材料は、優れた耐摩耗性と疲労寿命を、一部硬度と優れた粒構造のために展示する。 これは、複数の衝撃後に、または過酷な環境条件(例えば、砂、湿気、温度の極端な)にさらされた後、その弾道性能を保持する装甲板に翻訳します。

研究開発・研究開発

ナノクリスタルメタルや合金の合成、特徴化、鎧の応用を世界的にも探求しているアクティブリサーチプログラム。実験スケールの実証は驚くべき性能を示しているが、大規模な展開が実現可能になる前にいくつかのハードルが克服しなければならない。

ナノ構造合金の調査の種類

軽量構造金属:アルミニウム、チタン、マグネシウム合金、高強度鋼など、ほとんどの取り組みが挙げられます。例えば:

  • ナノ結晶Al 7075:[ クリオミリングまたは重度のプラスチック変形によって生成されたこの合金は、従来の7075-T6の〜500 MPaと比較して、1 GPaを超える降伏強さを達成することができます。 弾道テストは、鋼線の投影に対する浸透抵抗を改善しました。
  • [ナノ構造チタン(Ti-6Al-4V):[]]超微細加工バージョンは、チタンの耐食性と適度な密度を保持しながら、強度(1.4 GPaまで)を強化する。 それらは、軽量ボディアーマーインサートと車両のメッキのために研究されています。
  • []防錆・ナノスケールの粒子(生物多様性)を組み合わせて、強度と延性のバランスをとり、様々な研究者が金属を設計する。また、ナノラミネート複合材(例、Al/TiN層)は、亀裂の伝播を分解し、リダクションすることで、優れた浸透抵抗性を提供します。

製造業の課題とスケーラビリティ

ほとんどのナノ構造技術は現在、高価で低速、または小部品に限定されています。例えば、等しくチャネルの角度の押す(ECAP)は、直径のセンチメートルまで小節を作り出すことができます。高圧のねじり(HPT)は薄いディスクを収穫します。電気分解は基質を塗ることができますが、唯一の薄い層を生成します。粉末冶金学のルート - ナノ粉末のホットアイソスタティックプレスのような - コストが高く、精細な粉の処理が必要です。これらの材料は、これらの材料を切断するが、重度の金属を加工するかどうかを正確に把握する必要があります。

極限条件下ナノ構造の安定性

重要な関心は、高温または球面衝撃時の激しい糖尿病加熱下での穀物成長です。ナノ構造金属が、~0.3–0.5 Tm(融通温度)を超える熱的遠足を経験した場合、粒子境界は、構造を結合し、強度の利点を失うことができます。ナノ粒子(例えば、酸化物、堆積物、または、材料の分解を阻害するなど)、ナノ粒子の粒子の粒子の安定化は、ナノ粒子の粒子の転移を促進し、その材料を回復する。

未来の展望と新興技術

球面保護のためのナノ構造金属の分野は成長のために細孔され、両進歩によって駆動され、戦闘場上の進化の脅威。

複合・セラミックシステムとの統合

未来の装甲は、ナノ構造の金属板やコーティングを高度なセラミックス(例えば、ホウロン炭化物、炭化ケイ素)とポリマー複合材と組み合わせて、ハイブリッドになるでしょう。金属は、セラミックの破片をキャッチし、ナノスケール強度が薄くなり、より軽い支持を可能にしながら、積層層として機能することができます。また、衝撃下で粉砕するナノ金属泡構造を探索し、制御された方法でエネルギーを吸収します。

スマートアーマーと適応システム

ナノ構造化金属を「スマート」の鎧に組み込む - 物質特性が脅威に反応する変化が、フロンティアである。例えば、電気反応または磁気反応ナノメタルは、影響直前に電気分野の下で補強することができ、または触媒コーティングは、エネルギーを散らす化学反応を引き起こす可能性があります。これらの概念は初期段階で残っていますが、ナノ構造材料の境界とインターフェイスの調整可能な性質から恩恵を受けます。

添加剤製造によるコストダウン

制御されたナノ構造を持つ金属製の添加剤製造(3Dプリンティング)は、鎧の製作に革命をもたらす可能性があります。レーザーパウダーベッドの融合と指向エネルギーの堆積は、迅速な凝固を介して微細な粒径を達成することができます。熱機械加工(例えば、直流の熱間圧延)で添加製造を組み合わせることで、より低い廃棄物で、大きな複雑な形状のコンポーネントを可能にするかもしれません。これらの技術が個々の兵士や車両部品のためのコスト競争力のあるカスタムフィットアーマーになる場合、ルーチンになる可能性があります。

コンテンツ

ナノ構造金属は、弾道保護のための変革の可能性を保持します, 高強度のまれな組み合わせを提供, 軽量, そして、例外的なエネルギー吸収. スケール性を製造する重要な課題にもかかわらず, 熱安定性, コスト, 継続的な研究は、境界線をプッシュし続けます. 合成方法成熟し、他の材料との統合戦略が改善するとして, 次の世代の鎧システム – より軽量, より耐久性, 進化する脅威に対してより効果的 – ナノ構造金属に大きく依存します. これは、単に増大しているが、我々はどのようにして、我々は、車両のシフトとどのように検討する.

外部参照:[]