Forskerhold bruger beregning og eksperimenter til at forstå, hvordan nye materialeegenskaber dannes

Siden begyndelsen af ​​oplysningstidens kemi og fysik, forskere har forsøgt at dokumentere materialers egenskaber forskellige forhold. Disse undersøgelser affødte materialevidenskaben og har hjulpet menneskeheden med at skabe fly og rumfartøjer, revolutionere sundhedsvæsenet, og bygge industrielle processer til at skabe produkter fra klæbemidler og kosmetik til flybrændstof og gødning.

Imidlertid, efterhånden som forskere forsøger at skabe mere og mere komplekse materialer for at imødekomme stadigt mere indviklede industrielle behov - såsom forbedret materialeresiliens til højtemperaturprocesser, eller kompressionsprocesser, der påvirker materialer til flyvning - evnen til at afdække og forstå materialernes egenskaber eksperimentelt er blevet dyrt i form af ressourcer, energi, penge og tid.

Et team af forskere ledet af prof. Dr. Britta Nestler ved Karlsruhe Institute of Technology og Karlsruhe University of Applied Sciences arbejder på frontlinjen af ​​avanceret materialedesign, ved hjælp af beregning til at modellere nye materialeegenskaber. Gruppen fokuserer primært på materialer, for hvilke eksperimenter ikke er i stand til tilstrækkeligt at karakterisere og kontrollere oprindelsen af ​​deres egenskaber, eller hvor sådanne eksperimenter ville være ekstremt tidskrævende at udføre effektivt på en systematisk måde.

Nestler, som for nylig blev tildelt Gottfried Wilhelm Leibniz-prisen 2017 af den tyske forskningsfond, og hendes team med hjælp fra High Performance Computing Center Stuttgarts (HLRS's) Cray XC40 Hazel Hen-supercomputer - har skaleret til nye højder i deres multifysik- og multiskalamodellering og simuleringsindsats.

Karlsruhe-gruppen udvikler den parallelle simuleringssoftware Pace3D ((Parallel Algorithms of Crystal Evolution in 3D) og er en langtidsbruger af HLRS-ressourcer, tidligere undersøgt materialemønsterdannelser såsom flerfaset retningsbestemt størkning. Et af teamets centrale mål er den beregningsmæssige analyse af indflydelsen af ​​varierende smelteforhold på materialeegenskaber og mikrostrukturmængder.

I et nyligt papir offentliggjort i Acta Materialia , forskerne detaljerede fuldstændige 3D-simuleringer af en aluminium-sølv-kobber (Al-Ag-Cu) legering, mens den størkner og sammenligner mikrostrukturegenskaber med eksperimentelle fotografier. For første gang, forskere har brugt en kombination af teori og eksperiment til at inducere skræddersyede hastighedsændringer for at designe mikrostrukturen og, på tur, materialeegenskaber. Holdet valgte Al-Ag-Cu på grund af det væld af eksperimentelle data, som de kunne sammenligne deres simuleringsresultater med. Metoden sætter scenen for større simuleringer af mere komplekse materialer.

"Med den viden, vi har fået fra vores seneste computerkørsler, vi har en ramme for at gå til teknisk relevante systemer, der ofte har eksperimentelle vanskeligheder, " sagde gruppeleder Johannes Hötzer. "Vi besluttede at undersøge Al-Cu-Ag mikrostrukturmønsteret for at vise modellens gyldighed og mulighederne for at sammenligne den med en bred vifte af eksperimentelle data."

Størkningshastigheden ændres

Materialeforskere søger ofte at forstå grænserne for materialer - den varmeste temperatur en blanding kan fungere ved, det højeste tryk den kan modstå, blandt andre. Et emne af interesse er at forstå egenskaber ved eutektiske materialer bestående af to (binære eutektiske) eller tre (ternære eutektiske) distinkte faste faser i et mikrostrukturarrangement, der resulterer i den laveste smeltetemperatur. Nestler-teamet har for nylig fokuseret på ternær eutektik med tre legeringskomponenter.

Brug af Hazel Hen, holdet simulerer, hvordan visse procesbetingelser - såsom størkningshastighed eller bearbejdningstemperatur - påvirker et eutektisk materiales mikrostruktur. For at udlede sammenhænge, holdet har brug for storskala 3D-beregninger for at simulere en repræsentativ prøve af mikrostrukturelle mønstre. Før de seneste simuleringer, for eksempel, holdet antog, at når en Al-Ag-Cu forvandles fra væske til fast stof, hastigheden af ​​størkningsovergangen spiller en vigtig rolle i, hvordan en mikrostrukturs mønster splittes og smelter sammen, og hvordan længden og bredden af ​​de fibre, der efterfølgende dannes, påvirker materialets styrke ved højere temperaturer.

Imidlertid, forskere havde kun 2D eksperimentelle data til rådighed, forhindrer dem i entydigt at bevise eller modbevise deres hypotese. Eksperimentalister og dataforskere havde brug for at se denne proces udfolde sig i 3D, og det kunne de gøre ved hjælp af en supercomputer.

Holdet skabte multifysik-softwarepakken Pace3D til inkorporering af en bred vifte af materialemodeller og implementerede en meget optimeret version i et samarbejde med Fredrich Alexander University Erlangen-Nürnberg, ved hjælp af universitetets beregningsramme waLBerla (bredt anvendelig Lattice Boltzmann fra Erlangen).

Denne kode opdeler massive 3D-simuleringer i omkring 10, 000 computeriserede kuber, løser derefter en række fysikligninger inden for hver celle i millioner af tidstrin – hvert trin er i intervallet 0,1 til 1,0 mikrosekunder. For at observere hastighedsvariationer, holdet kørte sæt af simuleringer med variationer i størkningshastighed. Hver simulering kræver cirka en dag på cirka 10, 000 af Hazel Hens CPU-kerner.

Eksperimentalister var overraskede over resultatet. Baseret på deres 2D-eksperimenter, de antog, at de eutektiske mikrostrukturer voksede hurtigt i en lige, stort set ensartet måde. Imidlertid, simulering afslørede mange omarrangeringsprocesser under størkning, og illustreret, at mikrostrukturmønstre ændrer sig langsommere, men på længere længdeskalaer end antaget. Disse resultater blev senere bekræftet ved synkrotrontomografi, en billedbehandlingsteknik, der giver forskere mulighed for at studere materialeegenskaber på et grundlæggende niveau.

Skræddersyede mikrostrukturer

Holdets nøjagtige simuleringsresultater repræsenterer et proof of concept for dets evne til at simulere mikrostrukturdannelse i mere komplekse, og mere industrielt relevant, materialer under en bred vifte af materielle og fysiske forhold.

Efterhånden som eksperimenter hele tiden bliver mere komplicerede - Karlsruhe-eksperterne i modellering af computermaterialer har samarbejdet intensivt med eksperimentelister, der laver forskning i materialedesign med nultyngdekraft på den internationale rumstation - vil beregninger fortsætte med at spille en større rolle. Nestler indikerede, at eksperimenter som dem på ISS var ekstremt vigtige, men også dyrt og tidskrævende at forberede; Supercomputing-metoder hjælper forskere med at gøre store fremskridt i retning af at kortlægge skræddersyede materialer med specifikke egenskaber til bestemte applikationer, samtidig med at omkostningerne nedbringes.

Computing giver også forskere mulighed for at køre mange permutationer af de samme simuleringer med meget subtile forskelle - forskelle, der ellers ville kræve snesevis af individuelle eksperimenter. "I vores simuleringer, vi kan variere fysiske forhold og behandlingsforhold, såsom størkningshastigheden, som har indflydelse på mikrostrukturen. Ved at kontrollere disse parametre, vi ender med at få en veldesignet, skræddersyet mikrostruktur, " sagde Nestler.

Ved at forstå, hvordan man subtilt ændrer hastigheds- og temperaturprofiler under produktionen af ​​komplekse materialer, Nestler påpeger, at parallelle beregninger i stor skala understøtter materialeforskere i at designe et ekstremt velegnet materiale til en specifik opgave. Disse materialer kan bruges til luft- og rumfartsteknologier, samt i industrielle processer, hvor materialer udsættes for ekstremt høje temperaturer eller tryk.

For eksempel, udføre simuleringer af et nikkel, aluminium og krom-34 legering, holdet kunne vise, hvordan mikrostrukturens tilpasning forbedres ved at etablere kontrollerede procesbetingelser, hvilket resulterer i en højere krybemodstand, hvilket betyder, at materialet ikke deformeres, når det udsættes for mekanisk eller temperaturbaseret belastning.

"Vores hovedmål er at designe særlige mikrostrukturer til multi-komponent legeringer, til cellulære eller partikelbaserede systemer, der er baseret på dets anvendelse, ", sagde Nestler. "Ansøgningen definerer, hvordan nye materialer skal se ud eller skal kunne opretholde, og vi kan nu designe, på en kontrolleret måde, den særlige mikrostruktur, der er nødvendig."

Disse simuleringer blev udført ved hjælp af Gauss Center for Supercomputing-ressourcer baseret på High-Performance Computing Center Stuttgart.