新しいナノ双晶チタンにより持続可能な製造が可能に

バークレー研究所の分子鋳造所の科学者たちは、電子後方散乱回折 (EBSD) と呼ばれる電子顕微鏡技術を使用して、ナノ双晶構造を持つ純チタンの構造を画像化しました。 各色は粒子の固有の方向を表します。 薄いストリップからは、低温鍛造と呼ばれるプロセスによって製造されたナノ双晶構造が明らかになります。 (クレジット: アンディ マイナー/バークレー研究所)

– ジュリー・フォルナチアリ著

Tイタニウムは強くて軽いので、あらゆる構造用金属の中で最高の重量比強度を誇ります。 しかし、強度と延性（金属が壊れずに引き抜かれる能力）のバランスを維持しながら加工することは困難であり、高価です。 その結果、チタンは特定の産業におけるニッチな用途に追いやられてきました。

さて、サイエンス誌に掲載された最近の研究で報告されているように、エネルギー省のローレンス・バークレー国立研究所（バークレー研究所）の研究者たちは、新たな実用的な前進の道を発見しました。

研究チームは、極低温鍛造と呼ばれる技術を使用して純チタンを10億分の1メートル（ナノメートル）のスケールで超低温で加工し、延性をまったく犠牲にすることなく非常に強力な「ナノ双晶」チタンを製造できることを発見した。 。

この新しい技術はバークレー研究所の分子鋳造所の研究者らによって共同開発され、サイエンス誌9月17日号のカバーストーリーで特集された。 (科学提供)

「この研究は、誰かがバルク材料で純粋なナノ双晶構造を作製したのは初めてです」と、この研究のプロジェクトリーダーであり、バークレー研究所のナノサイエンスユーザー施設である分子ファウンドリの国立電子顕微鏡センターの所長であるアンドリュー・マイナーは述べた。 「ナノツインチタンを使用すると、強度と延性のどちらかを選択する必要がなくなり、両方を達成できるようになります。」

金属の機械的特性は、部分的に粒子、つまり材料の内部構造を形成する繰り返し原子パターンの小さな個々の結晶領域に依存します。 パターンが変化する粒子間の境界は、転位として知られる欠陥の移動を阻止し、材料の構造を弱めることによって金属を強化します。 粒子を道路として、粒子の境界を原子の「自動車」の通過を妨げる停止信号として想像してください。

金属を強化する 1 つの方法は、鍛造によって単純に粒子のサイズを縮小し、より多くの境界を作成することです。つまり、材料を圧延またはハンマーで高温または室温で圧縮することです。 ただし、この種の加工では延性が犠牲になることが多く、内部構造が破壊されて破損しやすくなります。 より小さな粒子の「通り」と「信号」の増加は、原子交通のパイルアップにつながり、材料を破壊します。

「材料の強度は通常、内部の粒子のサイズと相関しており、小さければ小さいほど良いのです」とカリフォルニア大学バークレー校の材料科学および材料工学の教授でもあるマイナー氏は述べた。 「しかし、高い強度と延性は一般に相互に排他的な特性です。」

ナノツインの登場です。 ナノツインは、結晶構造内の小さな境界が互いの鏡像のように対称的に並ぶ、特定のタイプの原子配列です。 原子道路の話に戻ると、穀物の「通り」にある信号がナノツイン構造のスピードバンプに変わり、強度を維持しながら応力を蓄積することなく原子が動きやすくなります。

ナノツイン材料は新しいものではありません。 ただし、これらを作成するには通常、特殊な技術が必要であり、コストがかかる可能性があります。 これらの技術は、銅などの一部の金属に有効であり、通常は薄膜の製造にのみ使用されます。 さらに、ほとんどの場合、薄膜の特性はバルク材料には反映されません。

ナノ双晶チタンを作成するために、研究チームは、超低温で金属の構造を操作する冷凍鍛造というシンプルな技術を使用しました。 この技術は、非常に純粋な (99.95% 以上) チタンの立方体を華氏マイナス 321 度の液体窒素の中に入れることから始まります。 立方体が水中に沈んでいる間、立方体の各軸に圧縮が適用されます。 これらの条件下では、材料の構造はナノツイン境界を形成し始めます。 その後、立方体は華氏 750 度まで加熱され、双晶の境界間に形成された構造上の欠陥が除去されます。

高純度チタンにナノ双晶構造を生成するための低温鍛造プロセスを示す概略図。 (クレジット: アンディ マイナー/バークレー研究所)

研究者らは、新しく形成された材料に一連のストレステストを実施し、Molecular Foundryの電子顕微鏡を使用して、その独特の特性の源を明らかにしました。 これらのテスト中に、ナノツインチタンには新しいナノツイン境界を形成する能力と、以前に形成された境界を元に戻す能力の両方があり、どちらも変形を助けるため、ナノツインチタンの方が成形性が優れていることが判明しました。 彼らは、溶岩が流れるのと同じくらい熱い華氏1,112度までの極端な温度でこの材料をテストしたところ、その構造と特性が維持されていることがわかり、材料の多用途性が実証されました。

超低温では、ナノ双晶チタンは通常のチタンよりも大きなひずみに耐えることができますが、これはほとんどの金属で一般的に起こることとは逆であり、低温ではほとんどの材料がより脆くなります。

これらのナノツイン構造のサイズと数によって、金属の特性が変化する可能性があります。

チタンの場合、研究者らは、ナノ双晶化により金属の強度が 2 倍になり、室温での延性が 30% 増加することを発見しました。 超低温では、改善はさらに劇的で、ナノツインチタンは破断する前に長さを 2 倍にすることができました。

ナノ双晶チタンは比較的高温でも優れた特性を維持しており、これらの特性がサンフランシスコ・ベイエリアの温暖な気候だけでなく、宇宙の極寒やジェットエンジンの高熱に近い環境でも持続することが示された。

低温鍛造を使用したナノ双晶チタンの製造は、潜在的にコスト効率が高く、商業生産に拡張可能であり、容易にリサイクルできる製品を製造します。 さらに、マイナー氏が述べたように、「私たちはチタンでナノ双晶メカニズムを示しましたが、延性が制限されている他の材料でも機能する可能性は十分にあります。」 今後、研究者らはチタン用に開発したプロセスを採用し、他の金属にも適用できるかどうかを判断したいと考えている。

Molecular Foundry は、バークレー研究所にある DOE の全国ユーザー施設です。

カリフォルニア大学バークレー校の研究者がこの研究に貢献しました。

この研究は、エネルギー省科学局と米国海軍研究局によって支援されました。

# # #

最大の科学的課題にはチームで対処するのが最善であるという信念に基づいて 1931 年に設立されたローレンス バークレー国立研究所とその科学者は、13 回のノーベル賞を受賞しています。 現在、バークレー研究所の研究者は、持続可能なエネルギーと環境ソリューションを開発し、有用な新材料を作成し、コンピューティングの最前線を前進させ、生命、物質、宇宙の謎を探求しています。 世界中の科学者が、独自の科学発見のためにこの研究所の施設を利用しています。 バークレー研究所は、カリフォルニア大学が米国エネルギー省科学局のために管理するマルチプログラムの国立研究所です。

DOE 科学局は、米国における物理科学の基礎研究の最大の支援者であり、現代の最も差し迫った課題のいくつかに対処するために取り組んでいます。 詳細については、energy.gov/science をご覧ください。