Forskere får kontrol over den interne struktur af selvsamlede kompositmaterialer

Kompositter fremstillet af selvsamlende uorganiske materialer er værdsat for deres unikke styrke og termiske, optiske og magnetiske egenskaber. Imidlertid, fordi selvmontering kan være vanskelig at kontrollere, de dannede strukturer kan være meget uordnede, fører til fejl under storstilet produktion. Forskere ved University of Illinois og University of Michigan har udviklet en skabelonsteknik, der indskyder større orden og giver anledning til nye 3D-strukturer i en særlig klasse materialer, kaldet eutektik, at danne nyt, højtydende materialer.

Resultaterne af den kollaborative undersøgelse er offentliggjort i tidsskriftet Natur .

Eutektiske materialer indeholder elementer og forbindelser, der har forskellige smelte- og størkningstemperaturer. Når det kombineres, imidlertid, den dannede komposit har enkelte smelte- og frysetemperaturer - som når salt og vand kombineres til saltlage, som fryser ved en lavere temperatur end vand eller salt alene sagde forskerne. Når en eutektisk væske størkner, de enkelte komponenter adskilles, danner en sammenhængende struktur - oftest i en lagdelt form. Den kendsgerning, at eutektiske materialer samler sig selv til kompositter, gør dem meget ønskelige for mange moderne teknologier, lige fra højtydende turbineblade til loddelegeringer.

"At have et enkelt smeltepunkt har fordele ved behandling af kompositmaterialer, "sagde Paul Braun, en professor i materialevidenskab og teknik og direktør for Materials Research Lab ved U. of I., der ledede projektet. "I stedet for at deponere lag af materiale individuelt, vi starter med en væske, der samler sig selv, når den størkner. Dette kan fremskynde produktionen og giver os mulighed for at lave større mængder på én gang. "

Imidlertid, selvmontering kan føre til problemer, han sagde, da dens ukontrollerede natur kan danne defekter.

"Templating er en almindelig praksis, der bruges i forarbejdning af organiske polymerer, sagde Ashish Kulkarni, en kandidatstuderende i Illinois og undersøgelsens første forfatter. "Imidlertid, det er ikke noget, der er blevet undersøgt inden for behandling af uorganiske materialer, fordi uorganiske mikrostrukturer er mere stive og sværere at kontrollere. "

For at demonstrere denne proces i laboratoriet, teamet byggede skabeloner med bittesmå stolper arrangeret i sekskantede former for at styre resolideringen af ​​en smelte indeholdende sølvchlorid og kaliumchlorid - et eutektisk materiale, der naturligt danner lag, når det afkøles.

"Hvis den ikke kontrolleres, de eneste mikrostrukturer, dette system vil danne, er lag, "sagde Katsuyo Thornton, professor i materialevidenskab og teknik i Michigan, der gennemførte computersimuleringer med kandidatstuderende Erik Hanson, som begge er studieforfattere. "Vi kan variere kølehastigheden for at gøre lagene tykkere eller tyndere, men mønsteret forbliver det samme. Ved at tilføje en skabelon, som væsken størkner omkring, vi håbede, at nye mønstre ville dukke op. "

Teamet fandt ud af, at når sølv og kaliumchlorid smelter for at størkne omkring de sekskantede skabeloner, stolperne kommer i vejen for lagdannelsen og producerer en komposit med en række forskellige firkanter, trekantede og honningkageformede mikrostrukturer i stedet-de specifikke strukturer afhængigt af afstanden mellem stolperne på skabelonen.

"Disse skabeloners og de nyoprettede strukturs gentagende karakter reducerer chancerne for defekter, "Braun sagde." Så, ikke kun dannede vi spændende nye mikrostrukturer, men vi reducerede også antallet af fejl i det resulterende kompositmateriale. "

Forskerne vil undersøge, hvordan de nye mikrostrukturer påvirker de fysiske egenskaber ved en lang række eutektiske materialer.

"De materialer, vi brugte i vores forsøg, er gennemsigtige, så den første retning at gå i kan være at udforske optiske materialer, og der er et stort potentiale inden for fotoniske krystaller, "Braun sagde." Vi er stadig langt fra den virkelige anvendelse, men mulighederne er rigelige. "