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Nanokristalline Legierungen und Nanokorngrößenstabilität
 

Nanokristalline Legierungen und Nanokorngrößenstabilität

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Nanokristalline Legierungen sind in Branchen wie Halbleiter, Biosensoren und Luft- und Raumfahrt aufgrund ihrer verbesserten physikalischen und mechanischen Eigenschaften sehr gefragt. Legierungen mit einer Korngröße von weniger als 100 Nanometern werden als nanokristalline Legierungen bezeichnet.

Um Industrieteile mit diesen Legierungen herzustellen, werden nanokristalline Pulver mit erhöhter Temperatur und Druck kombiniert, um fast 100 Prozent dichte Schüttgüter zu entwickeln. Nanokörner beginnen jedoch bei hohen Temperaturen zu wachsen, wodurch das Material seine verbesserten Eigenschaften verliert. Um dieses Problem zu bekämpfen, muss eine hochdichte Interpartikelbindung mit minimaler Porosität bei hoher Temperatur erreicht werden, während gleichzeitig der Verlust der nanoskaligen Korngröße minimiert wird.

Dieses Video zeigt einen neuen Ansatz zur Verbesserung der Nanokorngrößenstabilität der Fe14Cr4Hf-Legierung bei erhöhten Temperaturen.

Nano-Materialien neigen dazu, instabil zu sein, was dazu führt, dass die Korngröße bei erhöhten Temperaturen ansteigt. Dies führt dazu, dass das Material seine überlegenen mechanischen Eigenschaften verliert. Die Instabilität von Nanomaterialien ist das Ergebnis von zwei Faktoren, die dazu führen, dass das Material weit über einen Gleichgewichtszustand hinausgeht. Sowohl die Korngröße als auch die mechanische Verarbeitung führen zu diesen veränderten thermodynamischen Eigenschaften. Die kleineren Körner in Nanomaterialien haben mehr Korngrenze pro Volumen als größere Körner und damit eine höhere gibbs freie Energie.

Mechanische Legierungstechniken, die zur Herstellung dieser Materialien verwendet werden, erhöhen auch die verfügbare Energie, um das Getreidewachstum anzukurbeln. Die durch diese Faktoren verursachte thermodynamische Instabilität treibt die Bewegung von Korngrenzen vor allem bei erhöhten Temperaturen an, wodurch Körner wachsen. Um nützlich zu sein, müssen Nanomaterialien entwickelt werden, die bei hohen Temperaturen stabil sind. Eine Möglichkeit, die Korngröße zu stabilisieren, besteht darin, Legierungselemente einzuführen und Sauerstoff aus der festen Lösung zu entfernen. Wenn Sauerstoff vorhanden ist, bilden Legierungselemente Oxide innerhalb der Körner, die verhindern, dass alle Legierungselemente die Korngrenzen erreichen. Durch die Eliminierung von Sauerstoff können sich die Elemente an Korngrenzen trennen und die Größe der Nanokörner stabilisieren.

Studien haben gezeigt, dass ein nicht gleichgewichtiver Stabilisator wie Hafnium in eine nanokristalline Eisen-Zehn-Chrom-Legierung eingeführt wird, die sich bei erhöhten Temperaturen an die Korngrenzen abgrenzt. Dies verringert die gibbs freie Energie der Korngrenzen, was zu einem metastabilen Gleichgewichtszustand und damit zu stabileren nanokristallinen Materialien führt. Es wurde festgestellt, dass die Eliminierung von Sauerstoff diese Stabilisierung weiter verstärkt.

Um die Stabilität der Nanokorngröße bei unterschiedlichen Temperaturen zu vergleichen, werden Proben über einen Temperaturbereich wärmebehandelt. Die Korngröße wird dann mit Transmissionselektronenmikroskopiebildern und Röntgenbeugung analysiert. Die Scherrer-Gleichung wird verwendet, um die Korngröße basierend auf Röntgenbeugungsergebnissen zu berechnen. Mit dieser Gleichung hängt die Größe von Nanokörnern mit der Verbreiterung eines Peaks im Beugungsmuster zusammen.

Nun, da Sie die Prinzipien hinter der Stabilisierung von nanokristallinen Materialien verstehen, lassen Sie uns sehen, wie diese Methode im Labor angewendet wird.

Verwenden Sie hochreine Schüttgüter mit niedrigem Sauerstoffgehalt, Eisen, Chrom und Hafnium, die in einer Handschuhbox eingeschlossen sind, um die Sauerstoffkontamination zu minimieren. 6,4 und 7,9 mm 440c Edelstahl-Fräskugeln und Pulver in eine Durchstechflasche aus Edelstahl eintragen und so ein Kugel-Pulver-Gewichtsverhältnis von zehn zu eins erzeugen. Die versiegelte Durchstechflasche muss unter Schutzatmosphäre im Handschuhkasten aufbewahrt werden.

Übertragen Sie die Durchstechflasche auf die Hochenergie-Spezifikation Kugelfräsmaschine. Führen Sie Ballfräsen für 20 Stunden. Die Durchstechflasche in die Handschuhbox zurückgeben und das gemahlene Pulver in eine kleine Glasdurchstechflasche geben. Versiegeln Sie die Glasflasche zum Glühen. Anneal der Ball fräste Fe14Cr4Hf für 60 Minuten bei Temperaturen zwischen 500 und 1200 Grad Celsius bei Schritten von 100 Grad Celsius. Führen Sie die XRD-Analyse mehrerer Proben von jeder Glühtemperatur sowie Proben des gefrästen Materials durch. Verwenden Sie einen Fünf-Millimeter-Farbstoff und Stanz mit hydraulischer Presse, um das Pulver für die mikroskopische Analyse zu drücken.

Nun, da Sie die Bedeutung der Beibehaltung ihrer Korngröße bei hohen Temperaturen zu schätzen wissen, werfen wir einen Blick auf einige Anwendungen, wo sie verwendet werden können. Die Lebensdauer von Flugzeugen kann durch nanokristalline Materialien erhöht werden. Verbesserte Ermüdungslebensdauer, Festigkeit und höhere Betriebstemperaturen führen zu einer deutlichen Erhöhung der Flugzeuggeschwindigkeit und Kraftstoffeffizienz.

Diese Materialien sind auch perfekte Kandidaten für Raumfahrzeugkomponenten, die bei höheren Temperaturen arbeiten müssen. Beispielsweise können Sichkern an Bord von Satelliten, die aus herkömmlichen Materialien entwickelt wurden, ohne Reparaturmöglichkeit schnell verschleißen. Während Nanomaterialien länger halten, um die Lebensdauer der Mission zu verlängern.

Sie haben gerade Joves Einführung in die Stabilität des Nanokristalls beobachtet. Sie sollten nun verstehen, dass die Korngröße bei erhöhter Temperatur beibehalten werden muss, wie sie erreicht wird und wie die Korngröße gemessen wird.

Danke fürs Zuschauen.

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