Ajustes a nanoescala para crear un nuevo material que resiste impactos a alta velocidad

Un equipo de investigación liderado por la Universidad de Cornell ha desarrollado un método innovador para diseñar metales y aleaciones que pueden soportar impactos extremos. Este avance se logra a través de la introducción de «baches» a escala nanométrica que suprimen una transición fundamental que controla cómo los materiales metálicos se deforman.

Los hallazgos fueron publicados el 5 de marzo en la revista Communications Materials y podrían conducir a la creación de automóviles, aviones y armaduras que resistan mejor impactos a alta velocidad, calor extremo y estrés.

El proyecto, dirigido por Mostafa Hassani, profesor asistente en la Escuela Sibley de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial y en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales en Cornell, involucró colaboración con investigadores del Laboratorio de Investigación del Ejército (ARL). Los coautores del trabajo son Qi Tang, candidato a doctorado, y Jianxiong Li, investigador postdoctoral.

Cuando un material metálico es impactado a alta velocidad, como en colisiones de carretera o impactos balísticos, el material tiende a romperse y fallar debido a la fragilidad, un fenómeno en el que el material pierde ductilidad (la habilidad de deformarse sin romperse) al ser deformado rápidamente. Este proceso de fragilidad es complicado; si se aplica la misma deformación de forma lenta, el material puede deformarse sin fracturarse inmediatamente.

La calidad maleable de los metales se debe a la presencia de pequeñas imperfecciones o dislocaciones que se mueven a través de la estructura cristalina hasta encontrar una barrera. Durante deformaciones extremas y rápidas, las dislocaciones se aceleran, alcanzando velocidades de kilómetros por segundo, e interactúan con las vibraciones reticulares, creando una resistencia significativa. Esta interacción provoca una transición del deslizamiento térmicamente activado al transporte balístico, resultando en un drag significativo y, finalmente, en la fragilidad.

Hassani y su equipo trabajaron con los investigadores de ARL para crear una aleación nanocristalina de cobre-tantalio (Cu-3Ta). Los granos de cobre nanocristalino son tan pequeños que el movimiento de las dislocaciones se ve inherentemente limitado, y este movimiento se restringe aún más mediante la inclusión de clústeres de tantalio a escala nanométrica dentro de los granos.

Para probar el material, el laboratorio de Hassani utilizó una plataforma personalizada que lanza, mediante pulsos láser, microproyectiles esféricos de 10 micrones alcanzando velocidades de hasta 1 kilómetro por segundo, más rápido que un avión. Los microproyectiles impactan un material objetivo, y el impacto es grabado por una cámara de alta velocidad. Experimentaron primero con cobre puro y luego con cobre-tantalio, repitiendo además el experimento a una velocidad más lenta con una punta esférica presionando gradualmente contra el sustrato, indentándolo.

El mayor desafío fue analizar los datos obtenidos. Tang y Li desarrollaron un marco teórico para separar las contribuciones de los dos mecanismos: la activación térmica a baja velocidad y el transporte balístico a alta velocidad.

En los metales o aleaciones convencionales, las dislocaciones pueden moverse varios micrones sin barreras. Sin embargo, en el caso de Cu-3Ta, las dislocaciones apenas pueden desplazarse más de unos pocos nanómetros antes de ser detenidas en su movimiento. La fragilidad fue suprimida de manera efectiva.

Hassani comentó: «Esta es la primera vez que observamos un comportamiento así a tal alta velocidad. Y este es solo un microestructura, una composición que hemos estudiado.» Se plantea la cuestión de poder ajustar la composición y microestructura para controlar el drag dislocación-fonón y predecir la extensión de las interacciones entre dislocaciones y fonones.