Termotekniske skabeloner til højt bestilte selvsamlede materialer

Selvsamlede størknende eutektiske materialer rettet af en skabelon med miniaturetræk viser unikke mikrostrukturer og mønstre som et resultat af diffusion og termiske gradienter forårsaget af skabelonen. På trods af at skabelonen forsøger at tvinge materialet til at størkne til et regulært mønster, kan den, når skabelonen bærer meget varme, også forstyrre størkningsprocessen og forårsage uorden i det lange mønster.

Forskere ved University of Illinois Urbana-Champaign og University of Michigan Ann Arbor har udviklet et skabelonmateriale, der næsten ikke bærer varme og derfor stopper varmeoverførslen mellem selve skabelonmaterialet og det størknende eutektiske materiale. De opnåede dette ved at danne skabelonen af ​​et materiale med meget lav termisk ledningsevne, hvilket i sidste ende resulterede i højt organiserede selvsamlede mikrostrukturer.

Resultaterne af denne forskning blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet Advanced Materials.

"Den vigtigste nyhed i denne forskning er, at vi omhyggeligt kontrollerede varmestrømmen. Ved at kontrollere varmestrømmen bliver mønsteret langt bedre og mere regelmæssigt end før, fordi vi kontrollerer flere af parametrene. Tidligere styrede skabelonen strøm af atomer, men varmestrømmene var ukontrollerede," siger Paul Braun, professor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab og direktør for Materials Research Laboratory, som ledede denne forskning sammen med postdoc-forsker Sung Bum Kang.

Eutektiske materialer er en homogen blanding, der har et smeltepunkt, der er lavere end smeltepunktet for begge bestanddele. Almindelige eksempler på eutektiske systemer omfatter loddemetal (en blanding af bly og tin) og blandinger af salt (natriumchlorid) og vand. Når eutektiske blandinger afkøles fra væskefasen, adskilles de i to materialer, der danner et mønster ved den størknede front.

Materialet adskilles ikke i kun to store lag. I stedet danner den strukturer, herunder en flerlagsstruktur (lamellær), som en lagdelt kage, en stavlignende struktur eller endnu mere komplekse strukturer. Den resulterende mikrostruktur af materialet er dog kun velordnet over korte afstande. Ustabiliteter, der opstår i selvsamlingsprocessen, fører til defekter i mikrostrukturen og påvirker egenskaberne af det resulterende faste materiale. Til mange applikationer, såsom optik eller mekanik, kræves meget god orden over lange afstande.

Størkningsprocessen kan styres af en skabelon bestående af søjler, der fungerer som barrierer for bevægelse af atomer og molekyler. Dette tvinger strukturen til at danne et mere regelmæssigt mønster, når den størkner. Men problemet, forklarer Braun, er, at søjlerne bærer meget varme, og i stedet for at have en flad, størknende front, bliver frontens form kompleks. Dette fører til uregelmæssige mønstre og langsigtede lidelser.

"Vi fandt ud af, hvordan man lavede søjlerne, så de var rigtig gode isolatorer," siger Braun. "Så al varmen strømmer kun gennem det materiale, der størkner. Skabelonen fungerer nu kun som en barriere for strømmen af ​​atomer, men næsten ingen varme bevæger sig mellem det størknende materiale og skabelonen."

Forskerne udforskede skabelonmaterialer med lavere termiske ledningsevner end det eutektiske system og fandt ud af, at skabelonmateriale med lav varmeledningsevne resulterede i højt organiserede mikrostrukturer med lang rækkefølge. Specifikt brugte de porøst silicium (i det væsentlige et siliciumskum), der er mindst 100 gange mindre termisk ledende end krystallinsk silicium. Skabelonmaterialets lave varmeledningsevne minimerer varmestrømmen i den "forkerte" retning.

"Skabelonens termiske ledningsevne er en kritisk faktor til at bestemme varmeoverførselshastigheden under størkningsprocessen," siger Kang. "Det porøse silicium, vi brugte til skabelonerne, har en lav varmeledningsevne og førte til omkring 99 % ensartethed af enhedscellerne i strukturen."

Til sammenligning er det forventede mønster kun til stede i 50 % af enhedscellerne med krystallinske siliciumsøjler med højere termisk ledningsevne.

"Det betyder, at vi kan designe eutektiske materialer med meget forudsigelige og ensartede egenskaber. Dette kontrolniveau er afgørende for applikationer, hvor ensartethed direkte påvirker ydeevnen," siger Kang.

Flere oplysninger: Sung Bum Kang et al., højordnede eutektiske mesostrukturer via skabelon-dirigeret størkning inden for termisk konstruerede skabeloner, Avancerede materialer (2024). DOI:10.1002/adma.202308720

Leveret af University of Illinois Grainger College of Engineering