3D-eksperimenter kaster nyt lys over formhukommelseslegeringer

Formhukommelseslegeringer er kendt for deres bemærkelsesværdige egenskaber - superelasticitet, formhukommelse og aktivering tillader dem at blive krøllet op og derefter springe tilbage til en "husket" original form.

Men det avancerede materiale forbliver drastisk underudnyttet i kommercielle applikationer, anvendelser, der kan omfatte formning af flykonstruktioner for at gøre flyvningen mere effektiv eller implementere kommunikationsretter og solcelleanlæg i rummet.

Forskere fra Colorado School of Mines arbejder på at bedre forstå, hvordan deres komplekse interne mikrostrukturer ændrer sig under formhukommelsesadfærd, og resultaterne af deres første eksperimenter blev for nylig offentliggjort af tre store materialevidenskabelige og mekaniske tidsskrifter, Acta Crystallographica , Journal of the Mechanics and Physics of Faststoffer og Scripta Materialia .

"Opdaget for over 70 år siden, løftet om formhukommelseslegeringer (SMA'er) har ført til over 10, 000 patenter i USA og 20, 000 på verdensplan. Imidlertid, dette løfte er ikke blevet matchet af dets teknologiske virkning - kun et begrænset antal af disse 20, 000 SMA -patenter er blevet realiseret som kommercielt levedygtige produkter, "sagde Ashley Bucsek Ph.D. '18, hovedforfatter til de tre artikler og nu en præsidentens postdoktor ved University of Minnesota. "Historien ligner mange andre avancerede materialer, tager årtier at gå fra udvikling til implementering. En grund til denne kløft mellem udvikling og implementering er, at forskere bogstaveligt talt bare kradser i overfladen med konventionelle mikroskopiteknikker, når de fleste mikromekanismer i SMA'er er 3-D, uden for flyet og følsom over for interne begrænsninger. "

For at bygge bro over den kløft, Bucsek og hendes medforskere satte nikkeltitanium-det mest udbredte og tilgængelige SMA-under nogle af de mest kraftfulde 3D-mikroskoper, der findes i dag, placeret ved Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS) ved Cornell University i upstate New York.

Specifikt, hun brugte nærfelt- og fjernfelt-højenergidiffraktionsmikroskopi (HEDM), som falder ind under paraplyen af ​​3D-røntgendiffraktionsteknikker, giver hende mulighed for at visualisere materialets indre mikrostruktur i tre dimensioner, mens det reagerer i realtid.

"Selvom HEDM er blevet udviklet hos CHESS og andre synkrotroner rundt om i verden i over et årti nu, procedurerne for anvendelse af HEDM til at studere avancerede materialer med funktioner som lavsymmetrifaseblandinger og store krystalstørrelsesforskelle var i det væsentlige ikke-eksisterende, "Sagde Bucsek." Som et resultat, hvert af disse tre forsøg krævede udvikling af nye eksperimentelle, dataanalyse og datavisualiseringsteknikker til at udtrække den ønskede information. Mange af resultaterne var overraskende, kaster lys over årtiers gamle stridsområder inden for SMA-mikromekanik. "

I SMA'er, det er ofte højsymmetrifasen kaldet "austenit", der er stabil ved en højere temperatur, men hvis der påføres tilstrækkelig stress eller temperaturen falder, det vil fase transformere til en lav-symmetri fase kaldet "martensit."

Det første papir, "Måling af stressinduceret martensitmikrostrukturer ved hjælp af fjernsynet højenergidiffraktionsmikroskopi, "udgivet i september i Acta Crystallographica Sektion A:Fundamenter og fremskridt , så ud til at forudsige den specifikke sort af martensit, der ville dannes.

"Ved hjælp af denne tilgang, vi fandt ud af, at martensitmikrostrukturer inden for SMA'er kraftigt overtrådte forudsigelserne om kriteriet for maksimal transformation, viser, at anvendelsen af ​​det almindeligt accepterede kriterium for maksimal transformation skal ændres i tilfælde, hvor SMA'er kan have ingeniørfaglige mikrostrukturfunktioner og defekter, "Sagde Bucsek.

Det andet forsøg tacklede belastningsinduceret tvillingarrangering, eller martensitorientering, en reversibel deformationsmekanisme, hvormed materialer kan rumme store belastninger og deformationer uden skader gennem omlægninger af krystallografiske tvillinger.

Papiret, "Ferroelastiske dobbeltorienteringsmekanismer i formhukommelseslegeringer belyst med 3D-røntgenmikroskopi, "forventes at blive offentliggjort i marts i Journal of the Mechanics and Physics of Faststoffer .

"En specifik sekvens af to omlejringsmikromekanismer forekommer inde i makroskopiske deformationsbånd, når de formerer sig gennem mikrostrukturen, og vi viste, at belastningslokaliseringen inde i disse bånd får gitteret til at krumme op til 15 grader, som har vigtige konsekvenser for elastisk belastning, løst forskydningsspænding, og maksimering af den dobbelte omlægning, "Bucsek sagde" Disse fund vil vejlede fremtidige forskere i at anvende dobbelt omlægning i nye multiferroiske teknologier. "

Solid-state aktivering er en af ​​de vigtigste applikationer for SMA'er, bruges i en række nanoelektromekaniske og mikroelektromekaniske systemer, biomedicinsk, aktive dæmpnings- og luftfartsaktiveringssystemer.

Målet for det sidste forsøg var et fænomen, hvor særlige højvinklede korngrænser dukker op inde i austenitkorn, når SMA'er aktiveres. Under aktivering, fasetransformation fra austenit til martensit derefter tilbage til austenit induceres ved opvarmning, køling og derefter genopvarmning af SMA, mens den er under konstant belastning.

Papiret, "3-D in situ karakterisering af fasetransformation induceret austenitkornforfining i nikkel-titanium, "vises i marts i Scripta Materialia .

"Ved hjælp af elektronmikroskopi, det er blevet observeret, at austenitten kan udvise store rotationer, når prøven opvarmes, hvilket er skadeligt for både arbejdsydelse og træthed. Imidlertid, på grund af de små prøvestørrelser, der kræves til elektronmikroskopi, disse rotationer blev observeret meget inkonsekvent, vises, men derefter ikke vises under de samme lastningsbetingelser, eller vises efter et par cykler, men derefter ikke vises efter et par tusinde cyklusser, "Bucsek sagde." Vores resultater viste, at disse kornrotationer kan forekomme efter kun en cyklus i moderat tilstand. Men på grund af den lave volumen og den heterogene spredning af rotationerne, der kræves en bulkvolumen for at observere dem. "

Finansiering til Bucseks forskning kom fra National Science Foundation (NSF) Graduate Research Fellowship, samt 2015 NSF CAREER Award af sin ph.d. rådgiver og medforfatter, Aaron Stebner, Rowlinson lektor i maskinteknik ved miner. Yderligere finansiering til at bruge de højtydende computere, der er nødvendige for at analysere dataene, kom fra NSF XSEDE-programmet.

"Dr. Bucseks specialearbejde dokumenteret i disse artikler viser vigtigheden af ​​at bruge 3D-teknikker til at studere 3D-strukturen af ​​materialer. Hun var i stand til at observere og forstå mekanismer, der har været postuleret og debatteret i over 50 år i de første tid, "Sagde Stebner." Den største hindring for at vedtage nye materialer, ligesom de fleste teknologier, er frygt for det ukendte. En sådan forståelse vil utvivlsomt føre til bredere accept og anvendelse af disse mirakuløse materialer, da det forbedrer vores tillid til at udvikle midler til at certificere og kvalificere dem. "

Driften af ​​Cornell High Energy Synchrotron Source, som blev brugt til at udføre røntgenmikroskopimålinger, blev også leveret af NSF.

"Gennem hele sit specialearbejde, Dr. Bucsek udviklede nyt, kreative måder at anvende HEDM -metoder til studiet af formhukommelseslegeringssystemer, "sagde Darren Pagan, medarbejder ved CHESS. "Hendes evne til at overvinde udfordringer forbundet med databehandling og fortolkning gjorde det muligt at få ny indsigt i mikromekanikken ved deformation af formhukommelseslegering."