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나노결정 합금 및 나노 입자 크기 안정성
 
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나노결정 합금 및 나노 입자 크기 안정성

Summary

출처: 시나 샤바즈모하마디와 페이만 샤베이기-루드포스티, 코네티컷 대학교, 스토스, CT

100nm 미만의 곡물 크기의 합금은 나노결정 합금으로 알려져 있습니다. 물리적 및 기계적 특성이 강화됨에 따라 반도체, 바이오 센서 및 항공 우주와 같은 다양한 산업에서 이를 고용해야 한다는 수요가 계속 증가하고 있습니다.

나노 결정 합금의 처리 및 적용을 개선하기 위해, 높은 온도와 압력의 시너지 효과를 필요로 100 % 밀도 벌크 재료에 가까운 개발이 필요합니다. 적용된 온도와 압력을 증가시킴으로써 작은 곡물은 자라기 시작하여 고유의 특성을 잃기 시작합니다. 따라서, 높은 온도에서 통합하는 동안 최소 다공성과 나노 규모의 곡물 크기의 손실과 입자 간 접합 사이의 타협에 도달하는 것이 기술적으로 중요하다.

이 연구에서는 고체 용액에서 산소를 제거하여 높은 온도에서 나노 곡물 크기 안정성을 향상시키는 것을 목표로합니다. 나노 결정 적 Fe-14Cr-4Hf 합금은 산화입자 형성을 피하기 위해 보호된 환경에서 합성될 것이다.

Overview

출처: 시나 샤바즈모하마디와 페이만 샤베이기-루드포스티-루드포스티,코네티컷 대학교 공학대학, 스토스, CT

100nm 미만의 곡물 크기의 합금은 나노결정 합금으로 알려져 있습니다. 물리적 및 기계적 특성이 강화됨에 따라 반도체, 바이오 센서 및 항공 우주와 같은 다양한 산업에서 이를 고용해야 한다는 수요가 계속 증가하고 있습니다.

나노 결정 합금의 처리 및 적용을 개선하기 위해, 높은 온도와 압력의 시너지 효과를 필요로 100 % 밀도 벌크 재료에 가까운 개발이 필요합니다. 적용된 온도와 압력을 증가시킴으로써 작은 곡물은 자라기 시작하여 고유의 특성을 잃기 시작합니다. 따라서, 높은 온도에서 통합하는 동안 최소 다공성과 나노 규모의 곡물 크기의 손실과 입자 간 접합 사이의 타협에 도달하는 것이 기술적으로 중요하다.

이 연구에서는 고체 용액에서 산소를 제거하여 높은 온도에서 나노 곡물 크기 안정성을 향상시키는 것을 목표로합니다. 나노 결정 적 Fe-14Cr-4Hf 합금은 산화입자 형성을 피하기 위해 보호된 환경에서 합성될 것이다.

Principles

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곡물 경계는 깁스 자유 에너지가 상대적으로 높습니다. 따라서, 나노 물질의 총 깁스 자유 에너지는 큰 양의 곡물 경계를 가지기 때문에 상대적으로 높다. 높은 깁스 자유 에너지는 특히 높은 온도에서 물질을 불안정하게 만듭니다. 온도를 증가시킴으로써 불안정한 곡물은 쉽게 자라며 재료는 기계적 특성(예: 강도, 연성 등)을 잃게 됩니다. 즉, 곡물 크기를 줄임으로써 전체 재료는 평형 상태를 훨씬 뛰어넘어 열역학적 특성이 변경되어 특히 높은 온도에서 곡물 안정성이 감소합니다. 즉, 각 재료는 열역학적으로 안정되어야 합니다. 기계 기술을 사용하여 일반 물질을 나노 물질로 변경하여 열역학적 특성을 변경합니다. 그것은 그들이 더 이상 안정적이지 않고 원래 상태로 돌아가는 것을 선호한다는 것을 의미합니다. 온도가 상승하면 쉽게 발생할 수 있습니다. 따라서 새로 개발된 나노 물질은 고온에서 안정화되어야 합니다.

입자 크기를 분석하기 위해 Scherrer 방정식(Equ. 1)을 X선 회절 데이터와 함께 사용할 수 있습니다. 열처리 후(각 온도에서) 샘플은 관련 피크를 얻기 위해 XRD 기계에 의해 분석됩니다.  Scherrer 방정식은 나노 곡물의 크기와 회절 패턴의 피크 확대와 관련이 있습니다.

D=K λ / (β 코스덕스) (1)

D가 나노그레인 크기인 경우, K는 형상인가(~1)이며, β 라디안에서 기악선을 빼낸 후 절반최대 강도(FWHM)로 확대되는 선이다.  λ는 X 선 파장이며 θ는 브래그 각도입니다.

나노 결정 재료에 대한 최근 연구에 따르면 합금 원소를 입자 경계로 분리하면 입자 크기 의 능력이 향상됩니다. Ni-P 시스템의 강력하게 분리된 합금에서부터 Ni-W에서 약하게 분리된 모든 범위의 분리는 열역학적 안정성을 개발할 수 있습니다.

이 연구에서는, 비평형 안정제 솔루트(Hafnium (Hf)는 높은 온도에서 곡물 경계로 분리될 때 깁스 자유 에너지가 감소하고 메타안정평 상태가 나노 결정 물질로 발생할 수 있도록 도입된다.

열역학적 입자 크기 안정성 메커니즘은 고체 용액으로부터 산소 제거에 의해 개선될 수 있다. 산소 제거는 재료의 산화물 입자 형성을 방지하여 곡물 경계로 분리할 수 있는 고체 용액에 더 많은 솔루트가 남아 있습니다. 곡물 경계에서 단정한 내용물의 양을 증가시킴으로써, 곡물 크기 안정성으로 이어지는 포화 값에 도달한다.

HfO2 산화물 형성에 대한 자유 에너지 감소는 Hf 곡물 경계 분리에 대한 자유 에너지 감소보다 큰 크기의 순서에 관한 것입니다. 매트릭스로부터 O를 제거하여(그리고 입자 경계로 의 극명 분리를 증가시킴으로써) 입자 경계 이동성은 높은 O 함량에 비해 감소한다.

명목상 산소 가성 비(OF) 나노결정성 Fe14Cr4Hf 합금은 고체 물질을 기계적으로 제출하여 장갑 상자에서 생산되었다. 이 합금은 최근 일반 솔루션 모델이 Hf가 높은 온도에서 Fe14Cr4Hf 합금에서 열역학적 입자 크기 안정화를 용이하게 할 것이라고 예측하기 때문에 선택되었습니다.

이 연구는 높은 산화물 형성 엔탈피를 가진 솔테/안정제가 있는 합금으로 제한됩니다. 그렇지 않으면 산소 제거는 곡물 크기 안정성에 큰 영향을 미치지 않을 수 있습니다.

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Procedure

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  1. 고순도 저산소 함량 벌크 재료(Fe, Cr 및 Hf 표적)를 시작 분말의 산소 오염을 최소화하기 위해 왕복 기계식 신고기를 사용하여 장갑 상자에 보관합니다.
  2. 특정 합금에 대한 분말 혼합물을 로드 (이 연구에서 Fe14Cr4Hf wt.%) 440C 스테인레스 스틸 밀링 볼과 함께 스테인레스 스틸 유리병에(도 1). 밀링 볼의 직경은 6.4mm와 7.9mm이고 볼 파우더 대 중량 비율은 10:1입니다. 밀봉된 바이알은 장갑 상자에 보호 대기 하에 보관해야 합니다.
  3. SPEX 8000M 고에너지 볼밀(도 2)을이용하여 20시간 동안 고에너지 볼 밀링을 수행한다.
  4. 공을 100°C단계로 500°C에서 1200°C 사이의 온도에서 60분 동안 Fe14Cr4Hf를 분쇄했습니다.
  5. X선 디락토크계와 셰르러 방정식을 사용하여 나노그레인 크기를 측정합니다. 밀링 및 어닐링된 샘플에 대한 분석은 이루어져야 합니다. 곡물 크기는 악기 확대를 빼낸 후 가장 강렬한 피크 4개에 대한 Lorentzian 피크 프로파일을 가정하여 계산할 수 있습니다. 이 아래 단계를 수행해야 합니다.
    • 열 처리 된 샘플에서 XRD를 실행합니다.
    • 피크의 너비를 최대 높이의 절반으로 측정합니다.
    • 방정식 1에 데이터를 넣고 곡물 크기를 계산합니다.
    • 이러한 단계는 모든 온도에 대해 반복되어야 합니다.
  6. 정확한 입자 크기를 설정하고 재현성을 보장하기 위해 관심의 각 어닐링 온도에서 다중 어닐링 치료 및 X 선 분석을 실행합니다.
  7. 5mm 다이와 유압 프레스(3톤)로 펀치를 사용하여 분말을 눌러 현미경 분석을 위해 사용하십시오.
  8. 입자 크기 및 나노 입자 형성을 확인하기 위해 전송 전자 현미경 (TEM)에 샘플을적재합니다.
  9. TEM 현미경 및 X선 회절로 인한 곡물 크기를 산소 오염과 유사한 분말과 비교합니다.

Figure 1
그림 1: 두 가지 크기의 공이 있는 스테인레스 스틸 바이알.

Figure 2
그림 2: 고에너지 SPEX 8000M 볼 밀링.

나노 결정 합금은 향상된 물리적 및 기계적 특성으로 인해 반도체, 바이오 센서 및 항공 우주와 같은 산업에서 수요가 많습니다. 100 나노미터 미만의 입자 크기를 가진 합금은 나노 결정 합금으로 알려져 있습니다.

이러한 합금으로 산업 부품을 생산하기 위해 나노 결정 분말은 높은 온도와 압력을 사용하여 처리되어 100 % 가까이 고밀도 벌크 재료를 개발합니다. 그러나 나노 곡물은 고온에서 자라기 시작하여 재료가 느슨해지기 시작합니다. 이 문제를 방지하기 위해 최소 다공성과 고밀도 입자 결합을 고온에서 획득해야 하며 나노 스케일 곡물 크기의 손실을 최소화해야합니다.

이 비디오는 높은 온도에서 Fe14Cr4Hf 합금의 나노 그레인 크기 안정성을 개선하기위한 새로운 접근 방식을 보여줍니다.

나노 재료는 높은 온도에서 증가 하는 곡물 크기를 일으키는 불안정 한 경향이 있다. 이로 인해 재료가 우수한 기계적 특성을 잃게 됩니다. 나노 물질의 불안정은 재료가 평형 상태를 훨씬 넘어서는 두 가지 요인의 결과입니다. 곡물 크기와 기계적 처리 는 모두 이러한 변경 된 열역학 특성으로 이어질. 나노 재료의 작은 곡물은 큰 곡물보다 부피당 더 많은 입자 경계를 가지므로 더 높은 깁스 프리 에너지가 있습니다.

이러한 물질을 생산하는 데 사용되는 기계적 합금 기술은 곡물 성장을 유도하는 데 사용할 수 있는 에너지를 증가시다. 이러한 요인으로 인한 열역학적 불안정은 특히 곡물이 자라는 고온에서 곡물 경계의 이동을 유도합니다. 유용하기 위해서는 고온에서 안정된 나노 물질을 개발해야 한다. 곡물 크기를 안정화하는 한 가지 방법은 합금 요소를 도입하고 고체 용액에서 산소를 제거하는 것입니다. 산소가 존재할 때, 합금 원소는 모든 합금 원소가 곡물 경계에 도달하는 것을 방지하는 곡물 내의 산화물을 형성합니다. 산소를 제거함으로써 원소는 나노 곡물의 크기를 안정화하는 곡물 경계로 분리 할 수 있습니다.

연구에 따르면 하프늄과 같은 단형 안정제 솔루트가 나노결정철 10크롬 합금에 도입되면 높은 온도에서 곡물 경계로 분리된다. 이것은 형질성 평형 상태 및 따라서 더 안정적인 나노 결정 물질의 결과로 곡물 경계의 깁스 무료 에너지를 감소시킨다. 산소의 제거가 이 안정화를 더욱 강화한다는 것이 밝혀졌습니다.

다른 온도에서 나노 그레인 크기 안정성을 비교하기 위해 샘플은 온도 범위에서 열 처리됩니다. 그레인 크기는 전송 전자 현미경 영상 및 엑스레이 회절을 사용하여 분석됩니다. Scherrer 방정식은 x 선 회절 결과를 기반으로 곡량 크기를 계산하는 데 사용됩니다. 이 방정식을 사용하여 나노 곡물의 크기는 회절 패턴에서 피크의 확대와 관련이 있습니다.

이제 나노 결정 물질의 안정화 의 원리를 이해되었으므로 이 방법이 실험실에서 어떻게 적용되는지 살펴보겠습니다.

고순도 저산소 함량 벌크 재료 철, 크롬 및 하프늄을 장갑 상자에 동봉하여 산소 오염을 최소화하십시오. 6.4 및 7.9mm 440c 스테인리스 스틸 밀링 볼과 분말을 스테인레스 스틸 바이알에 로드하여 10 대 1의 분말 중량 비를 생성합니다. 밀봉된 바이알은 장갑 상자에 보호 대기 하에 보관해야 합니다.

유리병을 고에너지 사양 볼 밀링 기계로 옮기. 20 시간 동안 볼 밀링을 수행합니다. 유리병을 글러브 박스로 돌려보내 밀링 된 분말을 작은 유리 유리 유리 바이알로 옮기십시오. 유리 바이알을 밀봉하여 어닐링을 합니다. 공을 방사하여 100도의 계단에서 섭씨 500도에서 1200도 사이의 온도에서 60 분 동안 Fe14Cr4Hf를 분쇄했습니다. 각 어닐링 온도에서 여러 샘플뿐만 아니라 분쇄 된 재료의 샘플에 대한 XRD 분석을 실행합니다. 5mm 염료와 유압 프레스를 사용하여 분말을 눌러 현미경 분석을 위해 사용합니다.

이제 고온에서 곡물 크기를 유지하는 나노 결정의 중요성을 인식하고 활용할 수있는 몇 가지 응용 프로그램을 살펴 보자. 나노 결정 물질을 활용하여 항공기의 수명을 늘릴 수 있습니다. 피로 수명, 강도 및 높은 작동 온도로 인해 항공기 속도와 연료 효율이 크게 증가합니다.

이 물질은 또한 더 높은 온도에서 작동해야 우주선 구성 요소에 대한 완벽한 후보입니다. 예를 들어, 기존 재료에서 개발 된 위성의 온보드 점화기는 수리 의 가능성없이 빠르게 마모 될 수 있습니다. 나노 재료는 임무의 수명을 연장 하는 데 오래 지속 됩니다 하는 반면.

당신은 나노 크리스탈 안정성에 대한 Jove의 소개를 지켜보았습니다. 이제 고온에서 곡물 크기를 유지해야 하는 필요성, 달성방법 및 곡물 크기를 측정하는 방법을 이해해야 합니다.

시청해 주셔서 감사합니다.

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Results

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도 3은 900°C에서 1시간 동안 공 분쇄된 OF-Fe14Cr4Hf용 XRD 데이터를 나타낸다. 약간의 피크 시프트와 함께 피크의 선명감이 있습니다. 어닐링 온도가 상승함에 따라 격자 균주의 완화때문입니다. 어닐링 온도가 상승하면 4개의 주요 BCC 봉우리 사이에 몇 가지 작은 봉우리가 드러나게 됩니다. 이들은 보조 단계의 형성을 나타낼 것입니다.
도 4a-c는 900°C에서 1시간 동안 아닐링한 OF-Fe14Cr4Hf용 TEM 이미지 및 회절 패턴을 나타낸다. 크기 범위의 나노 스케일 입자는 약 20nm까지 존재합니다.

Figure 3
그림 3: OF-Fe14Cr4Hf용 XRD 패턴이 900°C에서 1시간 동안 어닐링되었습니다.

Figure 4
그림 4: OF-Fe14Cr4Hf용 TEM 이미지 및 회절 패턴은 900°C에서 60분 동안 어닐링되었습니다.

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Applications and Summary

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이 실험은 명목상 산소가 없는 나노결정 물질의 나노 입자 크기 안정성이 상당한 양의 산소를 가진 합금과 비교하여 어떻게 향상될 수 있는지를 보여줍니다. 이 연구에서 OF 분말은 산소와 고체 용액 사이의 상호 작용을 최소화하기 위해 보호된 대기에서 합성되어 합금 원소의 분리를 입자 경계로 증가시키고 열역학적 입자 크기 안정성을 향상시킵니다. TEM 현미경은 곡물 경계와 나노 입자를 특성화하는 비용 효율적인 시간 절약및 강력한 도구로 소개되었습니다.

피로 강도와 크리프 저항은 항공기 수명에 직접적인 영향을 미칠 수 있는 항공기 부품에 필요한 주요 특성입니다. 항공기의 수명을 높이려면 피로/크리프 강도/저항성이 높은 재료를 사용하는 것이 매우 중요하며, 주로 곡물 크기 감소로 인해 달성 가능합니다. 10^-7m 미만의 순으로 곡물 크기가 있는 고온 안정 나노 물질은 기존 재료보다 3배 더 피로수명을 제공할 수 있다. 또한, 이 차세대 나노결정 재료는 더 강하고 상대적으로 높은 온도에서 작동할 수 있으며 항공기 속도 및 연료 효율이 크게 증가합니다.

고온 안정 나노 결정 재료는 우주 공예에도 완벽한 후보입니다. 로켓 엔진, 추진기 및 벡터링 노즐과 같은 우주 공예의 다양한 부품은 항공기에 비해 더 높은 온도에서 작동하고 있습니다.

민간 및 국방의 이중 응용 프로그램과 위성은 또한 고온 안정 나노 물질에 대한 합리적인 대상입니다. 위성에서 궤도를 바꾸기 위해 스러스터 로켓을 사용하셔야 하며, 높은 온도를 견딜 수 있는 나노 물질이 필요합니다. 기존의 재료에서 개발 된 보드 점화기는 신속하게 마모되어 효율성을 잃을 수 있지만 제안 된 나노 재료는 더 오래 지속됩니다.

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