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Materials Engineering

纳米晶体合金和纳米颗粒尺寸稳定性

Summary

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,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。

Overview

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。

Principles

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颗粒边界具有相对较高的吉布斯自由能。因此,由于具有较大的晶粒边界,纳米材料中的吉布斯自由能量总量相对较高。高吉布斯自由能使材料不稳定,特别是在高温下。通过提高温度,不稳定的颗粒容易生长,材料失去其机械性能(如强度、延展性等)。这意味着,通过减小颗粒大小,整个材料远远超出了平衡条件,导致热力学特性改变,从而降低了晶粒的稳定性,特别是在高温下。换句话说,每种材料都需要热力学稳定。使用机械技术将常规材料更改为纳米材料可改变其热力学特性。这意味着他们不再稳定,宁愿回到原来的状态。温度升高有助于更容易发生这种情况。因此,新开发的纳米材料必须在高温下稳定下来。

为了分析颗粒大小,Scherrer 方程(Equ. 1)可与 X 射线衍射数据结合使用。热处理后(在每个温度下)样品将由XRD机器进行分析,以获得相关的峰值。 Scherrer 方程将纳米颗粒的大小与衍射模式中峰值的扩展相关联。

D_K = / (* cos_) (1)

其中 D 是纳米颗粒大小,K 是形状因子 (+1),α 是减去仪器线宽百分之一点线(以弧度为单位)后以半最大强度 (FWHM) 处变宽的线。 * 是 X 射线波长,α 是布拉格角的度。

最近对纳米晶体材料的研究表明,合金元素与晶粒边界的分离可提高晶粒尺寸的稳定性。从Ni-P系统中的强分离合金到Ni-W中的弱分离,所有分离范围都可以发展热力学稳定性。

在这项研究中,引入了一种非平衡稳定器溶质(Hafnium(Hf)),这样,当它在高温下与晶边界分离时,吉布斯自由能量会降低,并且纳米晶体可以产生一个可转移平衡状态。材料。

热力学粒径稳定性机制可以通过固体溶液中的氧消除来改善。氧气消除可防止材料中形成氧化物颗粒,导致固体溶液中残留更多溶质,从而与颗粒边界分离。通过增加晶粒边界中的溶质含量,达到饱和值,从而稳定晶粒大小。

HfO2氧化物形成的自由能量减少大约是Hf颗粒边界隔离的自由能量降低的一个数量级。通过从矩阵中消除 O(并增加到颗粒边界的溶质隔离),颗粒边界移动性相对于高 O 含量减少。

名义上无氧(OF)纳米晶体Fe14Cr4Hf合金是在手套箱中通过机械归档固体材料而生产的。之所以选择这种合金,是因为最近的常规溶液模型预测,Hf将促进Fe14Cr4Hf合金在高温下的热力学颗粒尺寸稳定。

本研究仅限于具有溶质/稳定剂、高氧化物形成剂的合金。否则,除氧可能对晶粒尺寸稳定性无显著影响。

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Procedure

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  1. 使用往复式机械归档机将高纯度低氧含量散装材料(Fe、Cr 和 Hf 目标)归档到手套箱中,以尽量减少起动粉末中的氧气污染。
  2. 将特定合金的粉末混合物(本研究中的 Fe14Cr4Hf wt.%)与 440C 不锈钢铣削球一起装入不锈钢小瓶中(图 1)。铣削球的直径为6.4和7.9 mm,球粉重量比为10:1。密封小瓶需要保存在手套箱的保护气氛下。
  3. 使用 SPEX 8000M 高能球磨机进行 20 小时的高能量球铣削(图 2)。
  4. 在 500°C 和 1200°C 之间的温度下,在 100°C 的步长下,将球磨碎 Fe14Cr4Hf 60 分钟。
  5. 使用 X 射线衍射仪和舍勒方程测量纳米颗粒大小。应对磨削和退火样品进行分析。假设在减去工具加宽后,四个最强烈的峰值的洛伦齐峰剖面可以计算颗粒大小。对于以下步骤,应遵循以下步骤:
    • 对热处理样品运行 XRD。
    • 测量半最大高度的峰值宽度。
    • 将数据放在公式 1 中并计算颗粒大小。
    • 这些步骤应在所有温度下重复执行。
  6. 在每个感兴趣的退火温度下运行多个退火处理和 X 射线分析,以便建立准确的颗粒尺寸并确保可重现性。
  7. 使用 5 mm 的模具和冲压机(3 吨)压压粉末进行微观分析。
  8. 在透射电子显微镜 (TEM) 中加载样品,以查看颗粒大小和纳米粒子形成。
  9. 比较与具有氧气污染的类似粉末的 TEM 显微镜和 X 射线衍射产生的颗粒大小。

Figure 1
1:不锈钢小瓶,有两个不同尺寸的球。

Figure 2
2:高能SPEX 8000M球铣削。

纳米晶体合金由于其增强的物理和机械性能,在半导体、生物传感器和航空航天等行业中受到大量需求。颗粒尺寸小于 100 纳米的合金称为纳米晶体合金。

为了生产使用这些合金生产的工业部件,纳米晶体粉末采用高温和高压相结合进行加工,以开发接近 100% 的稠密散装材料。然而,纳米颗粒在高温下开始生长,导致材料松动,其性能增强。为了解决这个问题,必须在高温下获得具有最小孔隙度的高密度颗粒间粘结,同时尽量减少纳米级颗粒尺寸的损失。

本视频揭示了在高温下提高Fe14Cr4Hf合金纳米颗粒尺寸稳定性的新方法。

纳米材料往往不稳定,导致晶粒尺寸在高温下增加。这导致材料失去其卓越的机械性能。纳米材料的不稳定性是导致材料远远超出平衡条件的两个因素造成的。晶粒尺寸和机械加工都会导致这些热力学特性的改变。纳米材料中较小的颗粒具有比较大的颗粒更多的颗粒边界,因此,吉布斯自由能更高。

用于生产这些材料的机械合金技术也增加了可用于推动谷物生长的能量。这些因素引起的热力学不稳定性驱动着谷物边界的移动,特别是在高温下导致谷物生长。要成为有用的纳米材料,必须开发在高温下稳定的纳米材料。稳定晶粒尺寸的一种方法是引入合金元素,并消除固体溶液中的氧气。当存在氧气时,合金元素在颗粒内形成氧化物,阻止所有合金元素到达晶粒边界。通过消除氧气,元素可以自由地分离到稳定纳米颗粒大小的颗粒边界。

研究表明,如果将非平衡稳定器溶质(如钛)引入纳米晶体铁十铬合金,则它在高温下与晶粒边界分离。这降低了晶粒边界的吉布斯自由能量,从而产生了一个多定平衡状态,从而更稳定的纳米晶体材料。人们发现,氧气的消除进一步加强了这种稳定性。

为了比较不同温度下的纳米颗粒尺寸稳定性,样品在一定温度范围内进行热处理。然后使用透射电子显微镜图像和 X 射线衍射分析颗粒大小。舍勒方程用于基于 X 射线衍射结果计算颗粒大小。使用此方程,纳米颗粒的大小与衍射模式中峰值的扩大有关。

现在,您已经了解了纳米晶体材料稳定背后的原理,让我们来看看这种方法是如何应用于实验室的。

使用高纯度低氧含量的散装材料铁、铬和钛封装在手套箱中,以尽量减少氧气污染。将 6.4 和 7.9 mm 440c 不锈钢铣球和粉末装入不锈钢小瓶中,形成球与粉末重量比为 10 比1。密封小瓶需要保存在手套箱的保护气氛下。

将小瓶转移到高能量规格的球铣机。进行 20 小时的球铣削。将小瓶返回到手套箱,并将铣削的粉末转移到小玻璃瓶中。密封玻璃瓶以退火。在温度在 500 到 1200 摄氏度之间,在 100 摄氏度的台阶下,将 Fe14Cr4Hf 磨碎 60 分钟。运行来自每个退火温度的多个样品以及铣削材料样品的 XRD 分析。使用 5 毫米染料和冲压机压压粉末进行微观分析。

现在,您已经认识到纳米晶体在高温下保持其晶粒大小的重要性,让我们来看看一些可以利用它们的应用。利用纳米晶体材料可以提高飞机的寿命。疲劳寿命、强度和更高的工作温度的延长可显著提高飞机速度和燃油效率。

这些材料也是航天器部件在较高温度下工作的完美候选材料。例如,由传统材料研制的卫星上的机载点火器可能会迅速磨损,无法修复。而纳米材料的寿命会延长任务的寿命。

您刚刚观看了乔夫对纳米晶体稳定性的介绍。现在,您应该了解在高温下保持晶粒尺寸的必要性、实现颗粒的方法以及如何测量颗粒大小。

谢谢你的收看。

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Results

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图 3显示了在 900°C 下滚珠-Fe14Cr4Hf 退火一小时的 XRD 数据。峰值有锐化,以及轻微的峰值偏移。这是由于退火温度升高时晶格应变的松弛。当退火温度升高时,四个主要 BCC 峰值之间会显示几个小峰。这些将表明第二阶段的形成。
图 4a-c显示了 OF-Fe14Cr4Hf 的 TEM 图像和衍射模式,在 900°C 下退火 1 小时。纳米级颗粒的尺寸范围可达20nm。

Figure 3
图3:OF-Fe14Cr4Hf的XRD模式在900°C下退火一小时。

Figure 4
图4:OF-Fe14Cr4Hf的TEM图像和衍射模式在900°C下退火60分钟。

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Applications and Summary

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实验表明,与含氧量大的合金相比,名义无氧纳米晶体材料的纳米粒尺寸稳定性如何提高。在这项研究中,在受保护的环境中合成的OF粉末,以尽量减少氧和固体溶液之间的相互作用,从而增加合金元素与晶粒边界的分离,提高热力学颗粒尺寸的稳定性。TEM 显微镜引入了一种经济高效、省时且功能强大的工具,用于表征颗粒边界和纳米颗粒。

疲劳强度和抗蠕变性是飞机部件所需的关键特性,可能对飞机寿命产生直接影响。为了延长飞机的使用寿命,使用具有高疲劳/蠕变强度/抗性的材料至关重要,这主要是因为颗粒尺寸的减少。高温稳定的纳米材料,颗粒大小小于10~7米,可提供比传统材料多三倍的疲劳寿命。此外,新一代纳米晶体材料更坚固,能够在相对较高的温度下工作,从而显著提高了飞机的速度和燃油效率。

高温稳定的纳米晶体材料也是太空工艺的完美候选材料。与飞机相比,航天飞行器的各个部件(如火箭发动机、推进器和矢量喷嘴)在更高的温度下工作。

卫星具有民用和国防双重应用,也是高温稳定纳米材料的合理目标。推进火箭在卫星上用于改变其轨道,需要纳米材料,可以承受更高的温度。从传统材料开发出来的车载点火器可能会迅速磨损并失去效率,而拟议的纳米材料的持久性更长。

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纳米晶体合金和纳米颗粒尺寸稳定性
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