Summary
מקור: סיינה שהבזמוהמדי ופיימן שהביגי-רודפושטי, בית הספר להנדסה, אוניברסיטת קונטיקט, סטורז, CT
סגסוגות עם גודל תבואה פחות מ 100 ננומטר ידועים בשם סגסוגות nanocrystaline. בשל תכונותיהם הפיזיות והמכניות המשופרות, יש ביקוש הולך וגובר להעסיק אותם בתעשיות שונות כגון מוליכים למחצה, ביו-סנסורים וחלל.
כדי לשפר את העיבוד והיישום של סגסוגות nanocrystalline, יש צורך לפתח קרוב 100% חומרים בתפזורת צפופה אשר דורש השפעה סינרגטי של טמפרטורה גבוהה ולחץ. על ידי הגדלת הטמפרטורה והלחץ החלים, דגנים קטנים מתחילים לגדול ולאבד את המאפיינים המכובדים שלהם. לכן, חשוב מבחינה טכנולוגית להגיע לפשרה בין מליטה בין חלקיקים עם נקבוביות מינימלית ואובדן גודל תבואה בקנה מידה ננו במהלך איחוד בטמפרטורות גבוהות.
במחקר זה אנו שואפים לחסל חמצן מפתרון מוצק כדי לשפר את יציבות גודל ננו-גרגר בטמפרטורות גבוהות. סגסוגת Fe-14Cr-4Hf ננו-גבישית תהיה מסונתזת בסביבה מוגנת כדי למנוע היווצרות חלקיקי תחמוצת.
Overview
מקור: סיינה שהבזמוהמדי ופיימן שהביגי-רודפושטי-רודפושטי, בית הספר להנדסה, אוניברסיטת קונטיקט, סטורז, CT
סגסוגות עם גודל תבואה פחות מ 100 ננומטר ידועים בשם סגסוגות nanocrystaline. בשל תכונותיהם הפיזיות והמכניות המשופרות, יש ביקוש הולך וגובר להעסיק אותם בתעשיות שונות כגון מוליכים למחצה, ביו-סנסורים וחלל.
כדי לשפר את העיבוד והיישום של סגסוגות nanocrystalline, יש צורך לפתח קרוב 100% חומרים בתפזורת צפופה אשר דורש השפעה סינרגטי של טמפרטורה גבוהה ולחץ. על ידי הגדלת הטמפרטורה והלחץ החלים, דגנים קטנים מתחילים לגדול ולאבד את המאפיינים המכובדים שלהם. לכן, חשוב מבחינה טכנולוגית להגיע לפשרה בין מליטה בין חלקיקים עם נקבוביות מינימלית ואובדן גודל תבואה בקנה מידה ננו במהלך איחוד בטמפרטורות גבוהות.
במחקר זה אנו שואפים לחסל חמצן מפתרון מוצק כדי לשפר את יציבות גודל ננו-גרגר בטמפרטורות גבוהות. סגסוגת Fe-14Cr-4Hf ננו-גבישית תהיה מסונתזת בסביבה מוגנת כדי למנוע היווצרות חלקיקי תחמוצת.
Principles
לגבולות התבואה יש אנרגיה חופשית גבוהה יחסית של גיבס. לכן, האנרגיה החופשית הכוללת של גיבס בננו-חומרים, בשל נפח גדול של גבולות תבואה, גבוהה יחסית. אנרגיה חופשית גבוהה של גיבס הופכת את החומר לבלתי יציב, במיוחד בטמפרטורות גבוהות. על ידי הגדלת הטמפרטורה, דגנים לא יציבים לגדול בקלות ואת החומרים לאבד את המאפיינים המכניים שלהם (למשל כוח, משיכות, וכו '). משמעות הדבר היא כי על ידי הפחתת גודל התבואה, החומר כולו הולך הרבה מעבר למצב שיווי המשקל המוביל תכונות תרמודינמיות שונה, אשר מקטין את יציבות הגרגרים במיוחד בטמפרטורות גבוהות. במילים אחרות, כל חומר צריך להיות יציב מבחינה תרמודינמית. שימוש בטכניקות מכניות לשינוי חומרים רגילים לננו-חומרים משנה את תכונותיהם התרמודינמיות. זה אומר שהם כבר לא יציבים ומעדיפים לחזור למצבם המקורי. עליית הטמפרטורה מסייעת לזה להתרחש בקלות רבה יותר. לכן, ננו-חומרים שפותחו לאחרונה חייבים להיות מיוצבים בטמפרטורה גבוהה.
כדי לנתח את גודל התבואה, ניתן להשתמש במשוואת שרר (Equ. 1) בשילוב עם נתוני עקיפה של קרני רנטגן. לאחר טיפול בחום (בכל טמפרטורה) דגימות ינותחו על ידי מכונת XRD כדי לקבל את הפסגות הרלוונטיות. משוואת שרר מתייחסת לגודל הננו-גרגרים להרחבת פסגה בתבנית עקיפה.
D =K λ / (β cosθ) (1)
כאשר D הוא גודל הננוגראין, K הוא גורם צורה (~ 1), β הוא הקו המתרחב בעוצמה המקסימלית למחצה (FWHM) לאחר הפחתה של הרחבת הקו האינסטרומנטלי, ברדיאנים. λ הוא אורך הגל של קרני הרנטגן ו- θ הוא זווית בראג במעלות.
מחקרים שנערכו לאחרונה בחומרים ננו-גבישיים מגלים כי הפרדה של אלמנטים alloying לגבולות התבואה משפרת את יציבות גודל התבואה. כל טווחי ההפרדה, מסגסוגות מופרדות מאוד במערכת Ni-P ועד להפרדה חלשה בני-W, יכולים לפתח יציבות תרמודינמית.
במחקר זה, מייצב שאינו שיווי משקל solute (Hafnium (Hf)) הוא הציג כך שכאשר הוא מפריד לגבולות תבואה בטמפרטורות גבוהות, האנרגיה החופשית גיבס פוחתת ומצב שיווי משקל metastable יכול לגרום עם חומרים nanocrystalline.
מנגנון יציבות גודל התבואה התרמודינמית עשוי להשתפר על ידי חיסול חמצן מפתרון מוצק. חיסול חמצן מונע היווצרות חלקיק תחמוצת בחומר, מה שמוביל להישארות מנומסת יותר בתמיסה המוצקה שיכולה להתחלק לגבולות התבואה. על ידי הגדלת כמות התוכן התלוי בגבולות התבואה, הוא מגיע לערך רווי המוביל ליציבות גודל התבואה.
ירידה באנרגיה חופשית להיווצרות תחמוצת HfO2 היא בערך בסדר גודל גדול יותר מירידה באנרגיה חופשית להפרדת גבולות התבואה של Hf. על ידי אלימינציה O מהמטריקס (והגדלת ההפרדה הבודדת לגבולות התבואה) ניידות גבול התבואה פוחתת ביחס לתוכן O הגבוה.
סגסוגת ננו-קריסטלין Fe14Cr4Hf ללא חמצן באופן נומינלי (OF) יוצרו בתא כפפות על ידי תיוק מכני של החומר המוצק. סגסוגת זו נבחרה כי מודלי הפתרון הרגיל האחרון לחזות כי Hf יקל על ייצוב גודל תבואה תרמודינמית בסגסוגות Fe14Cr4Hf בטמפרטורות גבוהות.
מחקר זה מוגבל סגסוגות שיש להם solute/מייצב עם אנטלפיה היווצרות תחמוצת גבוהה. אחרת, חיסול חמצן עשוי להיות בעל השפעה משמעותית על יציבות גודל התבואה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
- תייק את תכולת החמצן הנמוכה בטוהר גבוה בחומרים בתפזורת (מטרות Fe, Cr ו- Hf) בתא הכפפות באמצעות מכונת תיוק מכנית הדדית על מנת למזער את זיהום החמצן באבקות ההתחלתיות.
- לטעון את תערובת האבקה עבור סגסוגת ספציפית (Fe14Cr4Hf wt.% במחקר זה) לתוך מחינת אל-חלד יחד עם כדורי כרסום נירוסטה 440C(איור 1). הקטרים של כדורי הטחינה הם 6.4 ו-7.9 מ"מ ויחס אבקת הכדור למשקל הוא 10:1. יש לשמור את הנקריאל האטום תחת אטמוספירה מגנה בתא הכפפות.
- בצע כרסום כדור אנרגיה גבוהה במשך 20 שעות באמצעות SPEX 8000M טחנות כדור אנרגיה גבוהה(איור 2).
- הכדור טחן את Fe14Cr4Hf במשך 60 דקות בטמפרטורות שבין 500 ל-1200 מעלות צלזיוס, בשלבים של 100 מעלות צלזיוס.
- מדוד את גודל הננוגראין, באמצעות דיפרקטומטר קרני רנטגן ומשוואת שרר. ניתוחים צריכים להיעשות עבור דגימות כטחון ו מחומש. ניתן לחשב את גודל התבואה בהנחה שפרופילי השיא של לורנציאן עבור ארבע הפסגות האינטנסיביות ביותר לאחר הפחתה של הרחבה אינסטרומנטלית. עבור השלבים הבאים יש לבצע:
- הפעל XRD על הדגימות שטופלו בחום.
- מדוד את רוחב הפסגות בחצי גובה מרבי.
- שים את הנתונים במשוואה 1 וחשב את גודל התבואה.
- צעדים אלה צריכים לחזור על עצמם עבור כל הטמפרטורות.
- הפעל טיפול חישול מרובה וניתוח רנטגן בכל אחת מטמפרטורות חישול של עניין על מנת לקבוע גודל תבואה מדויק ולהבטיח את הרבייה.
- השתמש 5 מ"מ למות אגרוף עם לחץ הידראולי (3 טון) כדי ללחוץ על האבקה לניתוח מיקרוסקופי.
- טען דגימה במיקרוסקופ אלקטרונים השידור (TEM) כדי לראות את גודל התבואה ואת תצורות הננו-חלקיקים.
- השווה את גדלי התבואה, הנובעים מיקרוסקופ TEM עקיפה רנטגן עם אבקה דומה עם זיהום חמצן.
איור 1: בון נירוסטה עם שני גדלים שונים של כדורים.
איור 2: כרסום כדור SPEX 8000M באנרגיה גבוהה.
סגסוגות Nanocrystalline הם ביקוש גבוה בתעשיות כגון מוליכים למחצה, biosensors וחלל בשל תכונות פיזיות ומכאניות משופרות שלהם. סגסוגות עם גודל תבואה פחות מ 100 ננומטרים ידועים כמו סגסוגות nanocrystalline.
כדי לייצר חלקים תעשייתיים עם סגסוגות אלה, אבקות nanocrystalline מעובדים באמצעות טמפרטורה גבוהה ולחץ בשילוב לפתח קרוב 100 אחוז צפוף חומרים בתפזורת. Nanograins עם זאת להתחיל לגדול בטמפרטורות גבוהות גורם לחומר לאבד את המאפיינים המשופרים שלו. כדי להילחם בנושא זה צפיפות גבוהה מליטה בין-מפלגתית עם נקבוביות מינימלית יש להשיג בטמפרטורה גבוהה תוך מזעור אובדן גודל התבואה ננומטרי.
וידאו זה חושף גישה חדשה כדי לשפר את יציבות גודל nanograin של סגסוגת Fe14Cr4Hf בטמפרטורות גבוהות.
חומרים ננו נוטים להיות לא יציבים גורם גודל התבואה להגדיל בטמפרטורות גבוהות. התוצאה היא שהחומר מאבד את התכונות המכניות המעולות שלו. חוסר היציבות של חומרים ננו היא תוצאה של שני גורמים שגורמים לחומר ללכת הרבה מעבר למצב שיווי משקל. הן גודל התבואה והן עיבוד מכני מובילים למאפיינים תרמודינמיים אלה שהשתנו. דגנים קטנים יותר בחומרי ננו יש יותר גבול תבואה לכל נפח מאשר דגנים גדולים יותר ולכן אנרגיה גבוהה יותר gibbs חופשי.
טכניקות סגסוגת מכני המשמש לייצור חומרים אלה גם להגדיל את האנרגיה הזמינה כדי להניע צמיחת תבואה. חוסר היציבות התרמודינמית הנגרמת על ידי גורמים אלה מניע את התנועה של גבולות התבואה במיוחד בטמפרטורות גבוהות הגורמות לדגנים לגדול. כדי להיות שימושי ננו חומרים חייב להיות מפותח כי הם יציבים בטמפרטורה גבוהה. דרך אחת לייצב את גודל התבואה היא להציג אלמנטים alloying לחסל חמצן מן הפתרון המוצק. כאשר חמצן קיים, אלמנטים alloying ליצור תחמוצות בתוך הגרגרים המונעים את כל האלמנטים alloying מלהגיע לגבולות התבואה. על ידי ביטול חמצן, אלמנטים חופשיים הפרדה לגבולות תבואה מייצב את גודל הננו-גרינים.
מחקרים הראו כי אם מייצב ללא גמישות solute כגון הפניום הוא הציג ברזל nanocrystalline עשרה סגסוגת כרום זה מפריד לגבולות התבואה בטמפרטורות גבוהות. זה מקטין את האנרגיה החופשית gibbs של גבולות התבואה וכתוצאה מכך מצב שיווי משקל metastable ובכך חומרים ננו-קריסטליים יציבים יותר. נמצא כי חיסול החמצן מגביר עוד יותר את הייצוב הזה.
כדי להשוות את יציבות גודל הננוגראין בטמפרטורות שונות, דגימות הן חום מטופל על פני מגוון של טמפרטורות. גודל התבואה מנותח לאחר מכן באמצעות תמונות מיקרוסקופיה אלקטרונית שידור עקיפה רנטגן. משוואת שרר משמשת לחישוב גודל התבואה בהתבסס על תוצאות עקיפה של קרני רנטגן. באמצעות משוואה זו גודל הננו-גרינים קשור להרחבת פסגה בתבנית ההרחבה.
עכשיו שאתם מבינים את העקרונות מאחורי התייצבות של חומרים ננו-קריסטליים, בואו נראה איך שיטה זו מיושמת במעבדה.
השתמש בחומרים בתפזורת של תכולת חמצן נמוכה בטוהר גבוה, ברזל, כרום והפניום המוקפים בתא כפפות כדי למזער את זיהום החמצן. טען 6.4 ו 7.9 מ"מ 440c כדורי טחינה נירוסטה ואבקה לבקלון נירוסטה יצירת יחס משקל כדור לאבקה של עשר לאחד. יש לשמור את הנקריאל האטום תחת אטמוספירה מגנה בתא הכפפות.
מעבירים את הקרבון למכונת כרסום הכדורים של מפרט האנרגיה הגבוהה. לבצע כרסום כדור במשך 20 שעות. מחזירים את בקבוקון לתיבת הכפפות ומעבירים את האבקה הטחינה ל בקבוקון זכוכית קטן. אוטם את בקבוקון הזכוכית לתחשול. אנל הכדור טחן Fe14Cr4Hf במשך 60 דקות בטמפרטורות בין 500 ל 1200 מעלות צלזיוס בשלבים של 100 מעלות צלזיוס. הפעל ניתוח XRD של דגימות מרובות מכל טמפרטורת חישול, כמו גם דגימות של החומר הטחון. השתמש בצבע חמישה מילימטר וחבטה עם מכבש הידראולי ללחוץ על האבקה לניתוח מיקרוסקופי.
עכשיו שאתה מעריך את החשיבות של nanocrystals שמירה על גודל התבואה שלהם בטמפרטורה גבוהה בואו נסתכל על כמה יישומים שבו הם יכולים להיות מנוצלים. ניתן להגדיל את חיי המטוסים תוך שימוש בחומרים ננו-קריסטליים. שיפור בחיי העייפות, בכוח ובטמפרטורות ההפעלה הגבוהות יותר מובילים לעלייה משמעותית במהירות המטוסים וביעילות הדלק.
חומרים אלה הם גם מועמדים מושלמים לרכיבי חלליות שחייבים לעבוד בטמפרטורות גבוהות יותר. לדוגמה, מצתים המשולבים על לוויינים שפותחו מחומרים קונבנציונליים עשויים להתבלות במהירות ללא אפשרות לתיקון. בעוד שחומרי ננו יחזיקו מעמד זמן רב יותר ויאריכו את חיי המשימה.
הרגע צפית בהקדמה של יובה ליציבות ננו-קריסטל. עכשיו אתה צריך להבין את הצורך לשמור על גודל התבואה בטמפרטורה גבוהה, דרכים שבהן הוא מושג וכיצד גודל התבואה נמדד.
תודה שצפיתם.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Results
איור 3 מציג את נתוני ה-XRD עבור OF-Fe14Cr4Hf שנטחנו במשך שעה אחת ב-900 מעלות צלזיוס. יש חידוד של הפסגות יחד עם שינויי שיא קלים. זה בגלל הרפיה של זן סריג כמו טמפרטורת חישול עולה. כאשר טמפרטורת חישול עולה, כמה פסגות קטנות מתגלות בין ארבע פסגות BCC הגדולות. אלה יצביעו על היווצרות של שלבים משניים.
תמונה 4a-c מציגה תמונות TEM ותבנית עקיפה עבור OF-Fe14Cr4Hf חישול במשך שעה אחת ב 900 מעלות צלזיוס. חלקיקים ננומטריים בטווח גודל של עד כ-20 ננומטר נמצאים.
איור 3: דפוסי XRD עבור OF-Fe14Cr4Hf חישול במשך שעה אחת ב 900°C.
איור 4: תמונות TEM ותבנית עקיפה עבור OF-Fe14Cr4Hf חוצבו ב-900°C למשך 60 דקות.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
הניסוי מדגים כיצד יציבות גודל ננו-גרגר של חומרים nanocrystalline ללא חמצן נומינלי עשוי לשפר את ההשוואה סגסוגות עם כמות משמעותית של חמצן. במחקר זה אבקות OF מסונתזות באטמוספרה מוגנת כדי למזער את האינטראקציה בין חמצן לפתרון מוצק מוביל להגביר את ההפרדה של אלמנטים alloying לגבולות התבואה ולשפר את יציבות גודל התבואה התרמודינמית. מיקרוסקופ TEM הציג את עצמו ככלים חסכוניים, חוסכים זמן ועוצמתיים כדי לאפיין את גבולות התבואה וננו-חלקיקים.
חוזק עייפות והתנגדות לזחילה הם המאפיינים העיקריים הנדרשים לרכיבי מטוסים שעשויים להשפיע ישירות על זמן החיים של המטוסים. כדי להגדיל את חיי המטוסים חשוב מאוד להשתמש בחומרים עם עייפות גבוהה / כוח זחילה / התנגדות, בר השגה בעיקר בשל ירידה בגדלי התבואה. ננו-חומרים יציבים בטמפרטורה גבוהה, עם גודל תבואה בסדר גודל של פחות מ-10^-7 מ', עשויים לספק חיי עייפות פי שלושה יותר מחומרים קונבנציונליים. יתר על כן, הדור החדש של חומרים nanocrystalline הוא חזק יותר ומסוגל לפעול בטמפרטורות גבוהות יחסית המוביל לעלייה משמעותית במהירות המטוסים ויעילות הדלק.
החומרים הננו-קריסטליים היציבים בטמפרטורה גבוהה הם מועמדים מושלמים גם לספינות חלל. חלקים שונים של חלליות החלל (למשל מנועי רקטות, מדחפים וחרירי וקטור) עובדים בטמפרטורות גבוהות יותר בהשוואה למטוסים.
לוויינים, עם יישומים כפולים של אזרחים והגנה, הם גם מטרה סבירה עבור ננו-חומרים יציבים בטמפרטורה גבוהה. רקטות מדחפים המשתמשות בלווין כדי לשנות את מסלוליהן, זקוקות לננו-חומרים שיכולים לסבול טמפרטורות גבוהות. מצתים על הסיפון, שפותחו מחומרים קונבנציונליים, עלולים להתבלות במהירות ולאבד את יעילותם, בעוד הננו-חומרים המוצעים נמשכים זמן רב יותר.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
