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纳米晶体合金和纳米颗粒尺寸稳定性
 

纳米晶体合金和纳米颗粒尺寸稳定性

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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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