Kølematerialer superhurtigt

Kølematerialer superhurtigt, kaldes hurtig størkning, forhindrer dannelsen af ​​de normale krystallinske strukturer af materialer, ofte skaber unikke egenskaber i processen. Hvis enkeltkrystalvækstteknikker sidder i den ene ende af materialesyntesespektret, fremme væksten af ​​materialets ligevægtskrystallinske struktur, hurtige størkningsteknikker fremmer den modsatte effekt, afkøling af materialet så hurtigt fra flydende til fast, at de dannede krystaller er små, eller i nogle tilfælde ikke-eksisterende, blive amorfe eller glaslignende uden noget krystalklart mønster til deres overordnede molekylære struktur.

Det er også en måde at danne kompositmaterialer, hvis bestanddele har meget varierende "frysende" temperaturer.

"Hvis du tager et smeltet metal og køler det, hvad der ønsker at danne vil variere afhængigt af dets kemi, "sagde Ames laboratorieforsker og afdeling for materialevidenskab og ingeniørdirektør Matt Kramer, "fordi det, der ønsker at danne, ikke altid er et homogent fast stof."

For eksempel, hvis du fryser en blanding af vand og alkohol, vandet størkner først - bliver til is - mens alkoholen forbliver flydende, efterlader en slushy blanding, indtil temperaturen sænkes til alkoholens frysetemperatur.

"Så når du støber en smeltet legering, små krystaller dannes hurtigt på formens overflade, du får adskillelse af materialerne, og den resterende væske bliver beriget, sagde Kramer, som også er adjungeret professor i materialevidenskab og teknik ved Iowa State University, "hvilket resulterer i et heterogent massemateriale."

Hurtig størkning gør det muligt for materialet at afkøle ekstremt hurtigt for at undertrykke eller endda eliminere adskillelsen. Teknikker spænder fra båndstøbning, som afkøler materialer til omkring 1, 000 Kelvin i sekundet til sprøjtning af slukning, som, som navnet antyder, presser en dråbe flydende materiale mellem to plader. Splat -slukning kan afkøle materialet så højt som 108 Kelvin i sekundet.

"Hvorfor er det vigtigt? Fordi der er et intimt forhold mellem temperatur og det tidspunkt, hvor materialer afkøles, "Sagde Kramer." Vi kalder det TTT-Tid-temperatur-transformation. "

Det tager en vis endelig tid, før de første krystaller dannes, en proces kaldet nukleation. Det smeltede materiale skal organisere sig i krystaller, kun et par ti'er atomer på tværs, og derefter skal disse krystaller vokse.

"Der er et meget ikke-lineært forhold mellem tid og temperaturomdannelse, "Kramer fortsatte." Stivning sker over en lang række temperaturer. Ved for høj temperatur, det forbliver smeltet. Ved en temperatur lige under smeltetemperaturen, materialet størkner langsomt, og i tilfælde, hvor bestanddele har forskellige smeltetemperaturer, betydelig adskillelse i støbningen kan forekomme, hvis den afkøles langsomt.

Hurtige størkningsteknikker gør det muligt for forskere at omgå tid-temperatur-transformationen, så en smeltet metallegering dannes uden en krystallinsk orden, skabe et metallisk glas.

"Glasagtige metaller har nogle meget usædvanlige egenskaber, "Sagde Kramer." I gennemsnit de har en tendens til at have meget god styrke, men ikke meget plasticitet, så de er svære at forme til former. "

Imidlertid, ved først at danne et metallisk glas, varm derefter materialet op igen, forskere kan opnå metastabile faser af materialet, som ikke kan opnås med andre metoder, såsom støbning. Og disse mellemfaser kan have ønskelige egenskaber såsom styrke, duktilitet, modstand, eller ledningsevne.

"Manipulering af faser, deres størrelser, i hvilken grad vi kan kontrollere deres vækst, og endda deres morfologi, eller former, er alle begravet i detaljerne i den klassiske tid-temperatur-transformation, "Kramer sagde." Meget af det arbejde, vi udfører, forsøger at forstå den relative balance mellem kølehastigheder og faseudvælgelsesprocessen. Hvordan kan vi forudsige og kontrollere dem, så vi kan bevæge os ud over en edisoniansk tilgang. "

Forskere ved Ames Laboratory bruger flere teknikker, herunder smeltespinding og sprøjtestøbning til fremstilling af småkornede og amorfe materialer.

Smeltespind

Denne teknik indebærer at skyde en strøm af smeltet materiale på et snurrende kobberhjul, hvor det størkner hurtigt, danner et bånd af metal. Kobberhjulet er typisk vandkølet og afhængigt af den hastighed, hvormed det drejer, op til 30 meter i sekundet, det smeltede metal slukkes op til 106 Kelvin i sekundet.

"Der er grænser for processen, "sagde Ames Laboratory -videnskabsmand og ISU -lektor i materialevidenskab og teknik Jun Cui." Kobberhjulet skal være perfekt afbalanceret for at dreje ved så høje hastigheder. Og ud over et bestemt punkt, materialet flyder ikke længere i et bånd, men går i stykker. "

Der er også en variation i processen, hvor kobberhjulet har små riller skåret over overfladen. Disse riller bryder bevidst det afkølede metal i korte strimler, hvilken

Cui sagde er lettere at arbejde med i nogle applikationer.

Injektionsstøbning

Som navnet antyder, sprøjtestøbning tvinger det smeltede materiale ind i en kobberform, typisk en lille cylinder, der vil producere korte stænger på en til fire millimeter i diameter.

Formen holdes inde i en større vandkølet kobberform, der giver slukningshastigheder hurtigt nok til at producere amorfe (glasagtige) prøver i nogle legeringer.

"Små prøver - normalt mindre end fem gram - placeres i en grafit- eller kvartsdyse og opvarmes hurtigt ved induktion til flere hundrede grader over smeltepunktet, "sagde Matt Besser, Ames laboratorieforsker og leder af laboratoriets forberedelsescenter for materialer. "Vi dropper det derefter ud af opvarmningszonen og sætter systemet under tryk, så materialet sprøjter ind i formen."

Ved at bruge forskellige formede former, materiale kan støbes i plader, eller kiler. Besser sagde, at termoelementer kan placeres langs kilens længde for at måle forskellen i kølehastigheder fra den hurtigste ved den tynde spids til den langsomste i den tykkere ende.

"Vi er i stand til at fremstille prøver, der passer til specifikke behov, "Besser sagde, "og det er praktisk, fordi vi kan producere små prøver, især når legeringen indeholder dyre materialer. "

Søger forklaringer på størkningspuslespil

En af de mest almindelige og robuste måder at skabe et nyt materiale på, især en metallegering, er at smelte to eller flere bestanddele, bland dem i flydende tilstand, derefter fryse eller "størkne" dem under visse kontrollerede forhold. Selv om det tilsyneladende er enkelt, størkningsbehandling kan producere en utrolig variation af materialestrukturer med vigtige funktioner på skalaer fra nanometer til centimeter, giver anledning til en lang række bemærkelsesværdige egenskaber lige fra forbedret styrke og stivhed til usædvanlig magnetisk, termisk, elektrisk, og fotoniske egenskaber.

Men make-up og struktur, og derfor ejendommene, af dette slutresultat kan variere meget afhængigt af en række forskellige tilstande, når materialet overgår fra væske til fast stof. Ames Laboratory-videnskabsmand Ralph Napolitano arbejder på at forklare og forudsige, hvad der finder sted ved denne væske-faste grænseflade, og hvordan disse forskellige interaktioner resulterer i visse strukturer, kemi og egenskaber.

"Når et materiale går fra en væske til en fast fase, der skal ske mange ting som en del af den transformation, "sagde Napolitano, som også er professor i materialevidenskab og teknik ved Iowa State University. "Nominelt set, en amorf eller ikke-krystallinsk flydende fase skal omkonfigurere sig selv til en slags krystallinsk pakning. Men mange andre samtidige begivenheder finder sted for at få det til at ske. Ja, det er den måde, de forskellige transportprocesser og forskellige strukturelle enheder indgår i den ligning, der virkelig påvirker, hvordan den endelige struktur kan se ud. "

Hvis ligevægt giver det normale eller forventede resultat, der er alle former for afvigelser, der kan flytte resultatet fra ligevægt. Nogle af dem er meget små afvigelser, såsom lidt forskellige kemiske sammensætninger eller lidt forskellige koncentrationer af forskellige slags krystallinske defekter. Afvigelser kan også være meget store - helt anderledes krystallinsk pakning eller sammensætning eller endda en række flere faser, som du måske aldrig ser tættere på ligevægt.

"Det, der dikterer, hvor langt væk fra den endelige ligevægtstilstand du kan være, er, hvad der sker langs denne vej fra ligevægtsvæsken til denne langt-fra-ligevægtsstruktur, "Napolitano sagde." Varierende sammensætningen af ​​et materiale og den hastighed, hvormed vi afkøler det, har dramatisk indflydelse på slutfasen eller samlingen. "

"Ud over bare fasen - den særlige krystallinske struktur - påvirker betingelserne under frysning i høj grad vækstmorfologien, "fortsatte han." Enhver given fase vil vokse med en bestemt morfologi, der er dynamisk optimeret med hensyn til alle de forskellige processer - såsom omfordeling af varme, kemiske arter, og konfiguration af krystallinske defekter - hvilket gør den samlede transformation mere effektiv. Sammensætning og kølehastighed, sammen med selve fasen og energierne i krystaldefekter og grænseflader, alle spiller en rolle i denne kollektive dynamiske optimering, resulterer i sidste ende i valget af den endelige tilstand, som måske ikke ligner ligevægtstilstanden.

"Denne langt-fra-ligevægtssyntese giver en portal eller vej til strukturer, kemi, og ejendomme, der ikke er tilgængelige via konventionelle metoder, "Sagde Napolitano.

For at komplicere sager, disse veje kan omfatte flere andre trin - før og efter størkning, så den komplekse frysestruktur kun kan fungere som et mellemtrin, undervejs til en ønsket struktur.

Kølehastighed giver et højt niveau af kontrol i visse vinduer. I den lave (langsomme) ende, kølehastighed kan kontrolleres meget omhyggeligt, og selv kølehastigheder fra isotermiske behandlinger til 100 grader i sekundet kan kontrolleres rimeligt godt.

"Vi kan gå til afkølingshastigheder på 10 ³ til 10 ⁴ grader i sekundet med teknikker som smeltespinding, men inden for det vindue, processtyring er udfordrende, og der findes lokale variationer, "Sagde Napolitano." Vi har undersøgt sådanne variationer, og vores forståelse er helt sikkert steget. Ikke desto mindre, med relativt få 'procesknopper' at dreje (f.eks. smeltetemperatur, hjulets hastighed, hjulmateriale, injektionshastighed og strømningsdiameter), præcis kvantitativ kontrol er fortsat en reel udfordring. "

Som en strategi til at afsløre et klarere billede af den komplekse adfærd, Napolitanos gruppe har valgt at fokusere på et par udvalgte to-komponent eller "binære" systemer. I særdeleshed, binære systemer, såsom kobber-zirkonium og aluminium-samarium, give store muligheder for at undersøge langt fra ligevægtstransformation. Disse systemer udviser kompleks konkurrencedygtig størkning, glasdannelse, og krystallisering, danner et væld af ikke-ligevægtsfaser og flerskala vækststrukturer. På samme tid, med kun to komponenter, analytisk og beregningsmæssig behandling af termodynamik og kinetik bliver mere håndterbar, sammenlignet med flerkomponentsystemer.

"Med begge disse systemer, der er et sammensætningsinterval, over hvilket væsken ret let danner et glas, så du kan afkøle det med hastigheder, der kan opnås eksperimentelt, "Sagde Napolitano." Når legeringen er glasagtig, andre behandlinger kan bruges til at krystallisere materialet ved lav temperatur. I dette regime, forholdene kan kontrolleres omhyggeligt, og reaktioner kan sænkes væsentligt, selv tillader in-situ real-time undersøgelse. Selvfølgelig, at have et nøjagtigt og omfattende billede af systemtermodynamikken er kritisk. Uanset om du størkner materialet direkte fra en væske, eller først bratkøling til et glas og derefter opvarmning for at krystallisere materialet, du har stadig det samme termodynamiske spillerum. "

Aluminium-samarium-arbejdet udvides til et større udvalg af binære filer, herunder andre aluminium-sjældne jordlegeringer. Generelt, disse systemer forventes at udvise lignende adfærd, selvom Napolitano advarer om, at meget subtile effekter dramatisk kan tippe balancen mellem forskellige faser og vækststrukturer. Der er meget små energiske forskelle mellem de konkurrerende faser. Under høje drivkræfter, disse forskelle er ofte ubetydelige, og de kinetiske veje styrer resultatet. Selv ændringer i kemisk sammensætning i størrelsesordenen procent eller mindre kan dramatisk ændre den endelige tilstand.

"Denne form for undersøgelse er kun mulig ved at samle mange forskellige tilgange inden for teoretisk kondenseret fysik, materialevidenskab, beregningsmæssig termodynamik, materialesyntese, og state-of-the-art karakterisering, "Napolitano sagde." Der er ingen tvivl om, at dette arbejde kræver hele spektret af eksperimentelle og beregningsmæssige evner og et team af efterforskere med en bred vifte af ekspertise. "

Til det formål, det nye elektronmikroskopiudstyr på Ames Laboratory's Sensitive Instrument Facility (SIF) vil spille en afgørende rolle. "Det er vigtigt ikke kun med hensyn til rumlig opløsning, men også nogle af in situ -mulighederne, "sagde han." Hot-stage transmissionselektronmikroskopi med atomskalaopløsning vil give os mulighed for at se på nogle af de tidlige stadiedynamikker, der virkelig er et vendepunkt, der har tendens til at sende materialet ned ad en helt anden bane. Så absolut, SIF er afgørende for at komme videre på dette område. "