At bryde temperaturbarrieren ved afprøvning af materialer i lille skala

Forskere har demonstreret en ny metode til at teste mikroskopiske aeronautiske materialer ved ultrahøje temperaturer. Ved at kombinere elektronmikroskopi og laseropvarmning, videnskabsmænd kan evaluere disse materialer meget hurtigere og billigere end med traditionelle tests.

Resultaterne af den nye undersøgelse, dirigeret af Shen Dillon, en professor i materialevidenskab og teknik ved University of Illinois i Urbana-Champaign, og samarbejdspartnere fra Sandia Laboratories, er publiceret i tidsskriftet Nano bogstaver .

For et årti siden, fremskridt inden for luftfartsmaterialer involverede test af store, dyre modeller og mange års udvikling. Forskere og ingeniører bruger nu eksperimenter i mikroskala til at hjælpe med at skabe nye materialer og forstå de kemiske og fysiske egenskaber, der fører til materialefejl.

"Mekanisk test i mikroskala giver muligheder for at bryde materialerne ned i deres komponenter og se defekter på atomniveau, " sagde Dillon.

Indtil nu, forskere har ikke været i stand til at udføre vellykkede materialetest i mikroskala ved de ekstreme temperaturer, der opleves af kritiske komponenter under flyvning.

"Desværre, det er virkelig svært at udføre eksperimenter med nye materialer eller kombinationer af eksisterende materialer ved ultrahøje temperaturer over 1, 000 C fordi du løber ind i problemet med at ødelægge selve testmekanismerne, " sagde Dillon.

Denne temperaturbarriere har bremset udviklingen af ​​nye materialer til kommercielle applikationer såsom raketter og køretøjer, som kræver test ved temperaturer langt over den nuværende forskningsgrænse på "et par hundrede grader Celsius, " sagde han. "Den metode, vi demonstrerer i papiret, vil betydeligt reducere tiden og omkostningerne involveret i at gøre disse test mulige."

Deres ultra-høj temperatur test kombinerede to almindeligt anvendte værktøjer på en unik måde. Ved hjælp af et transmissionselektronmikroskop og målrettet laseropvarmning, de var i stand til at se og kontrollere, hvor og hvordan materialet deformerede ved den højest mulige temperatur, før prøven fordampede.

"Vi var i stand til at bringe laseren sammen med den mekaniske tester så præcist med TEM'en, at vi kunne opvarme prøven uden at overophede den mekaniske tester, "Dillon sagde. "Vores test giver dig mulighed for at dyrke en tynd film af materialet uden nogen speciel behandling og derefter sætte den i mikroskopet for at teste en række forskellige mekaniske egenskaber."

Som proof of concept, undersøgelsen testede zirconiumdioxid - brugt i brændselsceller og termiske barrierebelægninger - ved temperaturer op til 2, 050 C, "en temperatur langt over alt, hvad du kunne gøre tidligere, " sagde Dillon.

Dillon siger, at papiret vil resultere i, at "flere mennesker vil bruge denne teknik til højtemperaturtests i fremtiden, fordi de er meget nemmere at lave, og ingeniørinteressen er bestemt der."

Dillon er også tilknyttet Materials Research Lab i Illinois. National Science Foundation og Army Research Office støttede denne undersøgelse.