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ナノ結晶合金とナノ粒サイズ安定性
 

ナノ結晶合金とナノ粒サイズ安定性

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ナノ結晶合金は、半導体、バイオセンサー、航空宇宙などの産業で、物理的および機械的特性が強化されているため、需要が高い。粒度が100ナノメートル未満の合金は、ナノ結晶合金として知られています。

これらの合金を用いた工業部品を製造するために、ナノクリスタリン粉末は、高温と圧力を組み合わせて処理し、100%近い高密度バルク材料を開発します。しかし、ナノグレインは高温で成長し始め、材料が緩むようになると、それは強化された特性です。この問題に対処するためには、ナノスケールの粒径の損失を最小限に抑えながら、最小空隙率で高密度粒子間接合を高温で得る必要があります。

このビデオは、高温でのFe14Cr4Hf合金のナノグレインサイズ安定性を向上させる新しいアプローチを明らかにします。

ナノ材料は不安定になり、高温で粒径が大きくなる傾向があります。これは材料が優れた機械的特性を失うことになります。ナノ材料の不安定性は、材料が平衡状態をはるかに超える原因となる2つの要因の結果です。粒径と機械的処理の両方が、これらの変化した熱力学的特性につながります。ナノ材料の小さな粒は、より大きな穀物よりも体積あたりの粒界が多いため、より高いギブス自由エネルギーを有する。

これらの材料を製造するために使用される機械的合金技術はまた、穀物の成長を促進するために利用可能なエネルギーを増加させます。これらの要因によって引き起こされる熱力学的不安定性は、特に高温で穀物の境界の動きを駆動し、穀物が成長する原因となる。有用なナノ材料を開発するには、高温で安定している必要があります。粒径を安定させる方法の一つは、合金元素を導入し、固体溶液から酸素を除去することです。酸素が存在する場合、合金元素は穀物内に酸化物を形成し、すべての合金元素が穀物境界に到達するのを防ぎます。酸素を除去することにより、元素はナノグレインの大きさを安定させる穀物境界に自由に分離することができます。

研究は、ハフニウムなどの非平衡安定剤溶質がナノ結晶鉄10クロム合金に導入された場合、高温で穀物境界に分離することを示しています。これにより、粒子境界のギブス自由エネルギーが減少し、メタ安定平衡状態になり、ナノ結晶性物質がより安定します。酸素の除去は、この安定化をさらに高めることが分かってきました。

異なる温度でナノグレインサイズの安定性を比較するために、サンプルは温度の範囲にわたって熱処理される。次に、透過型電子顕微鏡画像とX線回折を用いて粒度を分析します。シェラー方程式は、X線回折結果に基づいて粒度を計算するために使用されます。この式を用いて、ナノ粒子の大きさは回折パターンにおけるピークの広がりに関連する。

ナノ結晶材料の安定化の原理を理解した所で、この方法が実験室でどのように応用されるかを見てみましょう。

酸素汚染を最小限に抑えるために、高純度の低酸素含有量のバルク材料鉄、クロム、ハフニウムをグローブボックスに囲んで使用してください。6.4および7.9 mm 440cステンレス鋼の粉砕ボールと粉末をステンレス鋼のバイアルにロードし、10対1の粉末重量比にボールを作成します。密封されたバイアルはグローブボックスの保護雰囲気の下で保たれる必要がある。

バイアルを高エネルギースペックのボールミリングマシンに転送します。ボールミリングを20時間行います。バイアルをグローブボックスに戻し、粉砕した粉末を小さなガラスバイアルに移します。アニーリング用のガラスバイアルを密封します。アニールボールは、摂氏100度のステップで摂氏500〜1200°Cの間の温度で60分間Fe14Cr4Hfを粉砕しました。各アニーリング温度からの複数のサンプルのXRD分析と、粉砕された材料のサンプルを実行します。5ミリメートルの染料とパンチを油圧プレスで使用し、顕微鏡分析のために粉末を押します。

ナノ結晶が高温で粒度を維持することの重要性を理解した今、それを利用できるいくつかのアプリケーションを見てみましょう。航空機の寿命は、ナノ結晶材料を使用して増加させることができます。疲労寿命、強度、および高い動作温度の改善は、航空機の速度と燃料効率の大幅な増加につながります。

これらの材料はまた、より高い温度で動作しなければならない宇宙船の部品のための完全な候補です。例えば、従来の材料から開発された衛星の船内イグナイターは、修理の可能性がなく、すぐに消耗する可能性があります。一方、ナノ材料は、ミッションの寿命を延ばし続けます。

あなたはちょうどナノ結晶の安定性にジョーブの導入を見てきました。ここで、高温で粒度を維持する必要性、その達成方法、および粒度の測定方法を理解する必要があります。

見てくれてありがとう。

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