Новости космоса и технологий. » Химия » Развитие многопрофильных сплавов: исследователи исследуют новые области сложных по составу металлов

Развитие многопрофильных сплавов: исследователи исследуют новые области сложных по составу металлов

Опубликовал: Admin, 8-10-2020, 01:02, Химия, 63, 0

Развитие многопрофильных сплавов: исследователи исследуют новые области сложных по составу металлов

Наиболее значительные достижения в человеческой цивилизации отмечены прогрессом в использовании материалов. Каменный век уступил место бронзовому веку, который, в свою очередь, уступил место железному веку. Новые материалы разрушают технологии того времени, улучшая жизнь и условия жизни людей.

Точно так же современные технологии можно напрямую проследить до нововведений в материалах, используемых для их изготовления, примером чего является использование кремния в компьютерных микросхемах и современной стали, лежащей в основе инфраструктуры. Однако на протяжении веков дизайн материалов и сплавов основывался на использовании базового или главного элемента, к которому добавлялись небольшие доли других элементов. Возьмем, к примеру, сталь, в которой небольшое количество углерода, добавленное к основному элементу железу (Fe), приводит к улучшенным свойствам. Когда добавляются небольшие количества других элементов, сталь может быть адаптирована, например, для повышения коррозионной стойкости или повышенной прочности.

Возникнув к идее, предложенной в 2004 году, последние несколько лет стали свидетелями появления новой парадигмы в конструкции сплавов, в которой три или более элемента смешиваются примерно в равных пропорциях. Именованный многопрофильный элемент сплавы (MPEA), или часто известный как подмножество этих сплавов, называемое высокоэнтропийные сплавы эти материалы стирают различие между большинством и меньшинством элементов. Этот более совершенный союз атомарных партнеров, составляющих коллективный материал, демонстрирует захватывающие свойства, которые позволяют им работать лучше, чем их традиционные аналоги.

«Некоторые из этих материалов демонстрируют исключительное сочетание прочности, пластичности и устойчивости к повреждениям», - пишет группа исследователей Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, включая профессоров материалов Дэна Джанола, Трезу Поллок и Ирен Бейерлейн, а также постдокторанта Фулина Ванга и их соавторов. статья опубликована сегодня в журнале Наука . «Огнеупорные сплавы[made from a group of nine metal elements on the periodic table that are highly resistant to heat and wear]Являются привлекательными кандидатами для использования при чрезвычайно высоких температурах, связанных со многими технологическими приложениями».

MPEA стимулировали разработку тугоплавких MPEA, впервые изготовленных в 2010 году. Но использование нескольких сплавов почти бесконечно увеличивает количество возможных «рецептов» сплавов. Огромное количество комбинаций, которые могут быть достигнуты, создает основу для использования расширенного вычислительного скрининга и машинного обучения для нацеливания на подмножества материалов, обладающих наиболее интересными и желательными свойствами.

«Чтобы эти подходы были успешными, очень важно, чтобы процесс проектирования сплавов руководствовался пониманием происхождения конкретных желаемых свойств», - пишет Джули Кэрни, профессор Школы аэрокосмической, механической и мехатронной инженерии. в Сиднейском университете в Австралии, в сопутствующей статье.

В их Наука В статье команда UCSB и коллеги из Университета Кентукки, Лаборатории военно-морских исследований США и Исследовательской лаборатории ВВС США предлагают способ повысить способность предсказывать, какие сплавы могут иметь ценные свойства.

Главным среди таких свойств является способность сплава деформироваться, то есть формоваться или изгибаться без образования трещин и сохранять целостность материала при чрезмерных нагрузках и высокая температура найдено в экстремальные условия , например, в крыльях самолетов, ракетных двигателях и промышленных турбинах.

«На атомном уровне материал деформируется или меняет свою форму в результате движения атомов», - объяснил Ван, постдок из лаборатории Джанолы.

Кристаллическая структура металлов состоит из плоскостей атомов, организованных в очень регулярную сетку. Когда металл деформируется, атомы перемещаются или скользят друг по другу по сетке. Линия, разделяющая области, где атомы переместились, а где нет, называется дислокацией. Поэтому свойства дислокаций, в том числе то, насколько легко и где они могут двигаться, становятся очень важными для деформационного поведения материала.

Несмотря на преимущества сплавов MPE, прогресс в их разработке был медленным. Хотя традиционные методы проб и ошибок неэффективны, примерно с 2017 года больше исследовательских усилий было направлено на разработку теорий, чтобы попытаться определить основную причину того, что конкретный сплав имел желаемые свойства.

«Но, - сказал Ван, - экспериментальных данных, подтверждающих некоторые важные элементы теории, не хватает. Когда я начал работать над этим проектом, мой непосредственный вопрос заключался в том, что особенного в MPEA по сравнению с традиционными сплавами? интересуясь механическими свойствами, мы сосредотачиваемся на дислокациях ».

В этом исследовании исследователи использовали электронную микроскопию, чтобы исследовать конфигурации дислокаций и раскрыть механистические причины, которые приводят к желаемым свойствам в модельном сплаве. В сочетании с атомистическим моделированием группы Ирен Бейерлейн они показали, что случайное поле различных элементов открывает множество путей для движений дислокаций, чего нет в обычных сплавах.

«Для обычных дислокаций сила разрыва атомных связей на дислокации является однозначной, потому что все атомы одинаковы», - сказал Байерлейн. «Для дислокации MPE эта сила не может быть детерминированной. Структура дислокации MPE становится переопределяемой, когда она пытается перемещаться через случайно изменяющуюся атомную среду.

». В наших атомистических расчетах мы использовали подход ожидания неожиданных и непредвиденных обстоятельств. исследовали не только обычные режимы, но и дополнительные более высокие режимы скольжения, которые на сегодняшний день обычно игнорируются в литературе ", - добавила она.

Исследование является частью более масштабных совместных усилий, возглавляемых Поллоком и финансируемых Управлением военно-морских исследований под названием MPE.edu, в котором также участвуют исследователи UCSB Карлос Леви и Антон ван дер Вен. в получении фундаментального понимания того, как лучше всего исследовать обширное пространство тугоплавких сплавов.

«Хотя сплавы со сложным составом давно интересовали нас, прогресс в изучении большого композиционного пространства был медленным », - сказал Поллок. «В рамках проекта MPE мы собрали команду, которая использовала новейшие вычислительные инструменты, машинное обучение и экспериментальные инструменты, которые позволили нам выявить новые модели поведения и быстро исследовать новые области составов. Очень высокие температуры плавления представляющих интерес огнеупорных материалов имеют из-за того, что в прошлом их было заведомо трудно изготовить и изучить, но наши новые подходы в сочетании с возможностью трехмерной печати полностью меняют ситуацию ".

«Эта работа символизирует истинную мощь объединения экспериментов с моделированием и теорией», - сказал Джанола. «Многие исследователи на словах говорят об этой синергии, но это исследование не могло бы продвинуться так далеко, если бы не постоянные обмены мнениями между экспериментальной и симуляционной группами. Будущее выглядит очень радужным».


Источник


У данной публикации еще нет комментариев. Хотите начать обсуждение?

Написать комментарий
Имя:*
E-Mail:
Введите код: *
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив


Поиск по сайту
Полезные ссылки
Оцените работу сайта

TEHNONEWS

Новости космоса технологий нанотехнологий физики и химии