材料工学

出典:ファイサル・アラムギル、ジョージア工科大学材料工学部、アトランタ、GA 固体材料の顕微鏡構造のイメージング、および画像化された構造成分の解析は、物質的な造図として知られています。定性情報は、例えば、材料に空隙率があるか否か、粒の大きさや形状分布がどのようなものか、あるいは微細構造に異方性があるかどうかが直接観察できる。マトリアリティシリーズの第2部では、統計的手法により、これらの微細構造特性を定量的に測定し、解析を2次元断面から3次元構造に変換することができます。材料サンプル。

出典:ファイサル・アラムギル、ジョージア工科大学材料工学部、アトランタ、GA 固体材料の顕微鏡構造のイメージング、および画像化された構造成分の解析は、物質的な造図として知られています。多くの場合、露出した 2 次元サーフェスによって示される構造的特徴のみを使用して、材料の内部 3 次元微細構造を定量化したいと考えています。X線ベースの地形法は埋もれた微細構造を明らかにすることができますが(例えば、医療の文脈でよく知られているCTスキャン)、これらの技術へのアクセスは、関連する計測器のコストのために非常に限られています。光学顕微鏡ベースの物質造影はX線断層撮影にはるかにアクセス可能で日常的な代替手段を提供する。

出典:ファイサル・アラムギル、ジョージア工科大学材料工学部、アトランタ、GA X線光電子分光法(XPS)は、材料内に存在する元素組成、経験式、化学状態および電子状態を測定する技術である。XPSスペクトルは、X線のビームで材料を照射すると同時に、分析対象物質の上数ナノメートルから脱出する運動エネルギーと電子数を測定することによって得られます(~トップ10nm以内、典型的な運動学的電子のエネルギー)。信号電子が主に材料の最初の数ナノメートル以内から脱出するという事実のために、XPSは表面分析技術と考えられています。

出典:ファイサル・アラムギル、ジョージア工科大学材料工学部、アトランタ、GA X線回折(XRD)は、材料の原子構造や分子構造を決定するために材料科学で使用される技術です。これは、インシデントX線で材料のサンプルを照射し、材料によって散乱されるX線の強度と散乱角度を測定することによって行われます。散乱X線の強度は散乱角の関数としてプロットされ、材料の構造は、位置の解析、角度、および散乱強度ピークの強度から決定されます。結晶中の原子の平均位置を測定できるだけでなく、実際の構造が理想的なものからどのように逸脱しているか、例えば内部応力や欠陥から生じる情報を、決定することができる。

出典:シナ・シャーバズモハマディとペイマン・シャーベイギ=ルードポシュティ,コネチカット大学工学部,ストールズ,CT 電子顕微鏡が研究室で複雑化し、広く使われるようになったので、その能力を導入する必要性が高まるにつれ、集束イオンビーム(FIB)は、ナノエレクトロニクスから医療まで幅広い分野で、ミコスケールやナノスケールの材料を作製、トリム、分析、特性評価するために使用できる装置です。FIBシステムは、マイクロスケールやナノスケールでミル(スパッタ)、堆積物、画像材料に使用できるイオンのビームと考えることができます。FIBのイオンカラムは、一般的に走査型電子顕微鏡(SEM)の電子カラムと統合されています。

出典:シナ・シャーバズモハマディとペイマン・シャーベイギ=ルードポシュティ,コネチカット大学工学部,ストールズ,CT 方向固化ゾーン融解は、結晶の狭い領域(通常はバーの形)が溶融する冶金プロセスです。炉はロッド形状サンプルに沿って移動し、溶融ゾーンが結晶に沿って移動し、溶融ゾーンがバーの一方の端から他方の端に移動することを意味します。このメカニズムは合金に広く使用されていますが、溶質原子は溶融物に分離する傾向があります。このタイプの合金では、不純物も溶融物に濃縮され、移動溶融ゾーンと共に試料の一端に移動する。したがって、ゾーン融解は、商業材料精製のために最も広く使用されています。図 1.は、高不純物溶融ゾーンがバーの一方の側からもう一方の側にどのように移動するかを示しています。縦軸は不純物濃度、横軸は試料長である。不純物が溶融領域に分離する傾向があるため、溶融物中の濃度は固体よりも高い。したがって、溶融材料がバーの端に移動すると、不純物はバーの端に輸送され、その背後に高純度固体材料を残します。 図1:ゾーン融解方向固化時の組成変化の概略図

出典:ダニエル・N・ビーティとテイラー・D・スパークス、ユタ大学材料工学科、ソルトレーク・シティー、UT 微分走査熱量測定(DSC)は、材料の熱特性を特徴付ける重要な測定です。DSCは、主に材料が加熱する時に貯蔵される熱量(熱容量)と、化学反応または相変化の間に吸収または放出される熱を計算するために使用されます。しかし、この熱の測定は、ガラス転移温度、ポリマー結晶性などの他の重要な特性の計算にもつながり得る。

出典:エリーゼ・S・D・ブキ、ダニエル・N・ビーティ、テイラー・D・スパークス、ユタ大学材料工学科、ソルトレイクシティ、UT レーザーフラッシュ法(LFA)は、熱拡散率、材料固有の特性を測定するために使用される技術です。熱拡散率(α)は、材料にどのくらいの熱が貯蔵されているかについて、どのくらいの熱が伝導されるかの比率です。これは、温度勾配によって材料を通してどれだけ熱が伝達されるかに、次の関係によって熱伝導率()に関連しています。 (式1)

出典:ローガン・G・キーファー、アンドリュー・R・ファルコフスキ、テイラー・D・スパークス、ユタ大学材料工学科、ソルトレイクシティ、UT

出典:J・ジェイコブ・チャベス、ライアン・T・デイビス、テイラー・D・スパークス、ユタ大学材料工学科、ソルトレーク・シティー、UT 温度変動を経験するシステムで使用する材料を検討する際には、熱膨張が非常に重要です。材料の熱膨張が高いか低いかは、用途に応じて望ましい場合と望ましくない場合があります。例えば、一般的な液体温度計では、温度変化に対する感度のために、熱膨張の高い材料が望ましいでしょう。一方、スペースシャトルが大気圏に再突入するなど、高温が発生するシステムの部品は、熱応力を防ぐために、大きな温度変動を伴って膨張・収縮しない材料を必要とし、破壊。

出典:カラ・イングラハム、ジャレッド・マカッチェン、テイラー・D・スパークス、ユタ大学材料工学科、ソルトレーク・シティー、UT 電気抵抗は、電気の流れに抵抗する電気回路素子の能力です。抵抗はオームの法則によって定義されます。 (式1) 電圧はどこにいて、電流です。オームの法則は、理想的な抵抗の抵抗を決定するのに役立ちます。しかし、多くの回路素子はより複雑であり、抵抗だけでは説明できません。たとえば、交流電流(AC)を使用する場合、抵抗率はAC信号の周波数に依存することがよくあります。電気インピーダンスは、抵抗を単独で使用するのではなく、電気の流れに抵抗する回路素子の能力のより正確で一般化可能な尺度です。

出典:シナ・シャーバズモハマディとペイマン・シャーベイギ=ルードポシュティ,コネチカット大学工学部,ストールズ,CT 骨は、セラミックマトリックスとポリマー繊維補強材で作られた複合材料です。セラミックは圧縮強度に寄与し、ポリマーは引張りおよび曲げ強度を提供する。セラミック材料とポリマー材料を異なる量に組み合わせることで、ボディは特定の用途に合わせたユニークな材料を作成することができます。バイオメディカルエンジニアとして、病気や外傷による骨の交換と複製能力を持つことは、医学の重要な側面です。

出典:シナ・シャーバズモハマディとペイマン・シャーベイギ=ルードポシュティ,コネチカット大学工学部,ストールズ,CT 粒径が100nm未満の合金はナノクリスタリン合金として知られています。物理的および機械的特性が強化されているため、半導体、バイオセンサー、航空宇宙など様々な産業での採用需要がますます高まっています。 ナノ結晶合金の加工と応用を改善するためには、高温と圧力の相乗効果を必要とする100%近い高密度バルク材料を開発する必要があります。加えられる温度と圧力を高めることによって、小さな穀物は成長し始め、その顕著な特性を失います。したがって、高温での統合時に、最小の空隙率を有する粒子間結合とナノスケールの粒径の損失との間の妥協に達することは技術的に重要である。 本研究では、高温でのナノ粒径安定性を向上させるために、固体溶液から酸素を除去することを目指す。ナノ結晶性Fe-14Cr-4Hf合金は、酸化物粒子の形成を避けるために保護された環境で合成されます。

出典:アンバー・N・バロン、アシュリー・パターソン、テイラー・D・スパークス、ユタ大学材料工学科、ソルトレイクシティ、UT