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材料工程

该系列采用尖端材料分析和表征方法,并介绍了一系列用于新技术和应用的先进材料和工艺。

  • Materials Engineering

    07:33
    光学材料学第1部分:样品制备

    资料来源:佐治亚州佐治亚州理工学院材料科学与工程学院费萨尔·阿拉姆吉尔,佐治亚州亚特兰大

    固体材料微观结构的成像和成像的结构成分的分析称为材料学。定性信息,例如,材料中是否存在孔隙度,颗粒的大小和形状分布,或者微结构是否存在各向异性,都可以直接观察。然而,我们将在材料学系列的第 2 部分看到,统计方法允许我们定量地测量这些微观结构特征,并将分析从二维横截面转换为材料样品。

    本演示将概述为光学显微镜制备固体材料样品所涉及的技术和过程。虽然材料学可以同时进行光学和电子显微镜,但本演示将侧重于专门用于光学显微镜的样品制备。但是,应当指出,为光学材料学准备的样品可用于扫描电子显微镜,并可执行最少的附加步骤(如果有的话)。

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    07:45
    光学材料学第2部分:图像分析

    资料来源:佐治亚州佐治亚州理工学院材料科学与工程学院费萨尔·阿拉姆吉尔,佐治亚州亚特兰大

    固体材料微观结构的成像和成像的结构成分的分析称为材料学。通常,我们希望仅使用暴露的二维表面所证明的结构特征来量化材料的内部三维微观结构。虽然基于 X 射线的地形图方法可以揭示埋藏的微观结构(例如,我们在医学环境中熟悉的 CT 扫描),但由于相关仪器的成本,对这些技术的访问相当有限。基于光学显微镜的材料成像为 X 射线断层扫描提供了一种更容易访问和常规的替代方法。

    在材料学系列的第 1 部分中,我们介绍了样品制备背后的基本原则。在第 2

  • Materials Engineering

    09:19
    X射线光电子光谱

    资料来源:佐治亚州佐治亚州理工学院材料科学与工程学院费萨尔·阿拉姆吉尔,佐治亚州亚特兰大

    X射线光电子光谱(XPS)是一种测量材料中元素元素成分、经验公式、化学状态和电子状态的技术。XPS光谱是通过用X射线束照射材料获得,同时测量从被分析材料顶部几纳米中逸出的动能和电子数量(在 = 前 10 nm 内,用于典型动力学电子的能量)。由于信号电子主要从材料的前几纳米内逃逸,XPS被认为是一种表面分析技术。

    XPS背后的物理原理的发现和应用,或者正如前面所知,用于化学分析的电子光谱学(ESCA),导致了两项诺贝尔物理学奖。第一次于1921年授予阿尔伯特·爱因斯坦,因为他在1905年解释了光电效应。光电效应是XPS中产生信号过程的基础。不久之后,凯·西格巴恩根据因内斯、莫斯利、罗林森和罗宾逊的早期作品开发了ESCA,并在1954年记录了NaCl的第一个高能分辨率XPS频谱。ESCA/XPS在化学分析方面的力量的进一步展示,以及该技术相关仪器的开发,导致1969年

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    09:30
    X 射线衍射

    资料来源:佐治亚州佐治亚州理工学院材料科学与工程学院费萨尔·阿拉姆吉尔,佐治亚州亚特兰大

    X射线衍射(XRD)是材料科学中用于测定材料原子和分子结构的技术。这是通过用事件 X 射线照射材料样本,然后测量材料散射的 X 射线的强度和散射角度来实现的。散射 X 射线的强度绘制为散射角的函数,材料的结构根据位置、角度和散射强度峰的强度进行分析来确定。除了能够测量晶体中原子的平均位置外,还可以确定实际结构如何偏离理想结构(例如来自内部应力或缺陷)的信息。

    X射线的衍射是XRD方法的核心,是一般X射线散射现象的子集。XRD 通常用于表示可以广角 X 射线衍射 (WAXD),属于使用弹性散射 X 射线波的几种方法。其他基于弹性散射的 X 射线技术包括小角度 X 射线散射 (SAXS),其中 X 射线在样本上通常偏射在 0.1-100的小角度范围内。SAXS 测量几纳米或更大(如晶体上部结构)的尺度的结构相关性,以及测量薄膜厚度、粗糙度和密度的

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    09:28
    聚焦 Ion 光束

    资料来源:西娜·沙赫巴兹莫哈马迪和佩曼·沙赫贝吉-鲁德波什蒂-鲁德波什蒂,康涅狄格大学工程学院,斯托尔斯,CT

    随着电子显微镜在研究实验室中变得越来越复杂和广泛,引入其功能就变得更加必要。聚焦式电离束 (FIB) 是一种仪器,可用于在纳米电子到医学等广泛领域制造、修剪、分析和表征纳米尺度上的材料。FIB 系统可被视为一束离子,可用于在微尺度和纳米尺度上铣削(溅射)、沉积和图像材料。FIB 的电柱通常与扫描电子显微镜 (SEM) 的电子柱集成。

    本实验的目的是介绍聚焦子束技术中的技术,并展示如何使用这些仪器来制造与人体中最小的膜一样小的结构。

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    08:31
    定向凝固和相位稳定

    资料来源:西娜·沙赫巴兹莫哈马迪和佩曼·沙赫贝吉-鲁德波什蒂-鲁德波什蒂,康涅狄格大学工程学院,斯托尔斯,CT

    定向凝固区熔化是一种冶金过程,其中晶体的狭窄区域(通常以棒状形式)熔化。炉子沿着杆形样品移动,这意味着熔融区沿晶体移动,熔融区从杆的一端移动到另一端。这种机制在合金中广泛使用,然而溶质原子往往与熔体分离。在这种类型的合金中,杂质也集中在熔体中,并随移动熔融区一起移动到样品的一端。因此,区域熔融最广泛地用于商业材料精炼。图1.显示了高杂质熔融区如何从条形的一侧移动到另一侧。垂直轴是杂质浓度,水平轴是样品长度。由于杂质容易分离到熔融区域,其熔体中的浓度高于固体。因此,当熔融材料到达棒的末端时,杂质将被输送到棒的末端,并将高纯度固体材料留在其后面。

    图1:区域熔融方向凝固过程中成分变化的原理图。

    本研究采用区域熔融定向凝固装置合成Pb-Cd合金的稳定结构。

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    12:02
    差分扫描热量测定

    资料来源:丹尼尔·比蒂和泰勒·斯帕克斯,犹他大学材料科学与工程系,盐湖城,犹他州

    差分扫描焦散仪 (DSC) 是描述材料热特性的重要测量方法。DSC 主要用于计算材料在加热时存储的热量(热容量)以及化学反应或相变过程中吸收或释放的热量。然而,测量这种热量也会导致其他重要特性的计算,如玻璃过渡温度、聚合物结晶度等。

    由于聚合物的长链状性质,聚合物链被缠绕和无序的情况并不少见。因此,大多数聚合物只是部分结晶,其余聚合物是无定形的。在本实验中,我们将利用DSC来确定聚合物的结晶度。

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    10:31
    热衍率与激光闪光方法

    资料来源:犹他州大学材料科学与工程系Elise S.D.Buki、Danielle N. Beatty和Taylor D. Sparks,犹他州大学盐湖城分校

    激光闪光法(LFA)是一种用于测量热扩散率的技术,这是一种材料特定的特性。热扩散率 (*) 是热传导量与材料中存储的热量的比率。它与导热性()有关,即温度梯度通过材料传递的热量,通过以下关系:

    (公式 1)

    其中 , 是材料的密度,的唯一方法,是确定热扩散率的最广泛使用的方法。

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    07:57
    薄膜电镀

    资料来源:洛根·基弗、安德鲁·法尔科夫斯基和泰勒·斯帕克斯,犹他大学材料科学与工程系,盐湖城,犹他州

    电镀是一种利用电流来减少溶解金属阳离子,使其在电极上形成薄涂层的过程。其他薄膜沉积技术包括化学气相沉积 (CVD)、自旋涂层、浸渍涂层和溅射沉积等。CVD使用要沉积的元素的气相前体。旋转涂层将液体前体向心传播。浸渍涂层类似于旋转涂层,但基板完全浸入其中,而不是旋转液体前体。溅射使用等离子体从目标中去除所需材料,然后对基板板板。CVD

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    09:41
    通过测热分析的热膨胀分析

    资料来源:犹他州大学材料科学与工程系J.JacobChavez、RyanT.Davis和泰勒D.Sparks,盐湖城,犹他州

    在考虑哪些材料将用于经历温度波动的系统时,热膨胀非常重要。材料中的高或低热膨胀可能是可取的,也可能不可取,具体取决于应用。例如,在普通液体温度计中,由于对温度变化的敏感性,需要具有高热膨胀的材料。另一方面,系统中经历高温的部件,如航天飞机重新进入大气层,将需要一种不会膨胀和收缩的材料,以防止热应力和骨折。

    测量是一种技术,用于测量材料的面积、形状、长度或体积变化作为温度函数的尺寸。膨胀计的主要用途是计算物质的热膨胀。当大多数材料在恒定压力下加热时,其尺寸会增加。热膨胀是通过记录收缩或膨胀来响应温度变化获得的。

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    08:57
    电化学阻抗光谱

    资料来源:卡拉·英格拉哈姆、贾里德·麦库琴和泰勒·斯帕克斯,犹他大学材料科学与工程系,盐湖城,犹他州

    电阻是电路元件抵抗电流的能力。电阻由欧姆定律定义:

    (公式 1)

    电压和电流在哪里。欧姆定律可用于确定理想电阻器的电阻。然而,许多电路元件更为复杂,不能单靠电阻来描述。例如,如果使用交流电 (AC),电阻率通常取决于交流信号的频率。电阻抗不是单独使用电阻,而是对电路元件抵抗电流的能力的更准确和可概括的测量。

    最常见的是,电阻抗测量的目标是将样品的总电阻抗递解到不同机制(如电阻、电容或感应)的贡献中。

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    09:58
    陶瓷基质复合材料及其弯曲特性

    资料来源:西娜·沙赫巴兹莫哈马迪和佩曼·沙赫贝吉-鲁德波什蒂-鲁德波什蒂,康涅狄格大学工程学院,斯托尔斯,CT

    骨骼是复合材料,由陶瓷基质和聚合物纤维增强物制成。陶瓷具有抗压强度,聚合物提供拉伸和柔韧性强度。通过组合不同量的陶瓷和聚合物材料,车身可以创造出适合特定应用的独特材料。作为生物医学工程师,能够因疾病或创伤性损伤而替换和复制骨骼是医学的重要方面。

    在这个实验中,我们将用巴黎石膏(这是硫酸钙化合物)创建三种不同的陶瓷基质复合材料,并允许它们进行三点弯曲测试,以确定哪种制剂最强。三种复合材料如下:一种是巴黎的石膏,一种是碎玻璃碎片,混合在石膏基质中,最后是石膏基质,里面嵌有玻璃纤维网络。

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    06:51
    纳米晶体合金和纳米颗粒尺寸稳定性

    资料来源:西娜·沙赫巴兹莫哈马迪和佩曼·沙赫贝吉-鲁德波什蒂-鲁德波什蒂,康涅狄格大学工程学院,斯托尔斯,CT

    颗粒尺寸小于 100 nm 的合金称为纳米晶体合金。由于其增强的物理和机械性能,对在半导体、生物传感器和航空航天等不同行业中采用它们的需求不断增加。

    为了改进纳米晶体合金的加工和应用,必须开发接近100%的稠密散装材料,这需要高温和高压的协同效应。通过增加施加的温度和压力,小颗粒开始生长,失去其显著特性。因此,在高温度下巩固时,在具有最小孔隙度和纳米颗粒尺寸损失的颗粒间粘结之间达成妥协在技术上非常重要。

    在这项研究中,我们旨在消除固体溶液中的氧气,以提高在高温下纳米颗粒尺寸的稳定性。纳米晶体Fe-14Cr-4Hf合金将在受保护的环境中合成,以避免氧化物颗粒的形成。

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    08:32
    水凝胶合成

    资料来源:犹他州大学材料科学与工程系的安伯·巴伦、阿什利娅·帕特森和泰勒·斯帕克斯

    水凝胶是一种多功能的交叉链接聚合物,通过相对简单的程序生产,材料通常价格便宜。它们可以通过溶液形成,并涉及由单体试剂形成的聚合物骨干,一种使聚合物反应的起重器,以及将聚合物链结合在一起的交联物种。这些材料的一个重要方面是,它们在水中膨胀,但这种反应可以进一步调整,以增强膨胀作为盐度,pH或其他信号的函数。作为最终产品,水凝胶可用于水环境或干燥环境中,具有一系列有用的特性,如灵活性、高吸光性、透明度和隔热性。它们通常用于液体吸收、传感器、消费品和药物输送。

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