Självmonterade stelnande eutektiska material styrda av en mall med miniatyrfunktioner visar unika mikrostrukturer och mönster som ett resultat av diffusion och termiska gradienter orsakade av mallen. Trots att mallen försöker tvinga materialet att stelna till ett vanligt mönster, när mallen bär mycket värme kan den också störa stelningsprocessen och orsaka oordning i det långväga mönstret.
Forskare vid University of Illinois Urbana-Champaign och University of Michigan Ann Arbor har utvecklat ett mallmaterial som nästan inte bär någon värme och därför stoppar värmeöverföringen mellan själva mallmaterialet och det stelnande eutektiska materialet. De åstadkom detta genom att forma mallen av ett material med mycket låg värmeledningsförmåga, vilket i slutändan resulterade i välorganiserade självmonterade mikrostrukturer.
Resultaten av denna forskning publicerades nyligen i tidskriften Advanced Materials.
"Den viktigaste nyheten i denna forskning är att vi noggrant kontrollerade värmeflödet. Genom att kontrollera värmeflödet blir mönstret mycket bättre och mer regelbundet än tidigare eftersom vi kontrollerar fler av parametrarna. Tidigare styrde mallen flöde av atomer, men värmeflödena var okontrollerade, säger Paul Braun, professor i materialvetenskap och ingenjörskonst och chef för Materials Research Laboratory, som ledde denna forskning tillsammans med postdoktorn Sung Bum Kang.
Eutektiska material är en homogen blandning som har en smältpunkt som är lägre än smältpunkten för någon av beståndsdelarna. Vanliga exempel på eutektiska system inkluderar lod (en blandning av bly och tenn) och blandningar av salt (natriumklorid) och vatten. När eutektiska blandningar kyls från vätskefasen separeras de i två material som bildar ett mönster vid stelningsfronten.
Materialet separeras inte i bara två stora lager. Istället bildar den strukturer inklusive en flerskiktsstruktur (lamellär), som en skiktad kaka, en stavliknande struktur eller till och med mer komplexa strukturer. Den resulterande mikrostrukturen hos materialet är dock endast välordnad över korta avstånd. Instabiliteter som uppstår i självmonteringsprocessen leder till defekter i mikrostrukturen och påverkar egenskaperna hos det resulterande fasta materialet. För många applikationer, såsom optik eller mekanik, krävs mycket god ordning över långa avstånd.
Stelningsprocessen kan styras av en mall som består av pelare som fungerar som barriärer för atomers och molekylers rörelse. Detta tvingar strukturen att bilda ett mer regelbundet mönster när den stelnar. Men problemet, förklarar Braun, är att pelarna bär mycket värme, och istället för att ha en platt, stelnande front blir frontens form komplex. Detta leder till oregelbundna mönster och långvariga störningar.
"Vi kom på hur man gör pelarna så att de var riktigt bra isolatorer", säger Braun. "Så all värme strömmar bara genom materialet som stelnar. Mallen fungerar nu bara som en barriär för atomflödet, men nästan ingen värme rör sig mellan det stelnande materialet och mallen."
Forskarna undersökte mallmaterial med lägre värmeledningsförmåga än det eutektiska systemet och fann att mallmaterial med låg värmeledningsförmåga resulterade i välorganiserade mikrostrukturer med lång räckvidd. Specifikt använde de poröst kisel (i huvudsak ett kiselskum) som är minst 100 gånger mindre värmeledande än kristallint kisel. Mallmaterialets låga värmeledningsförmåga minimerar värmeflödet i "fel" riktning.
"Mallens värmeledningsförmåga är en kritisk faktor för att bestämma hastigheten för värmeöverföring under stelningsprocessen", säger Kang. "Det porösa kisel vi använde för mallarna har en låg värmeledningsförmåga och ledde till ungefär 99% enhetlighet för enhetscellerna i strukturen."
I jämförelse, med högre värmeledningsförmåga kristallina kiselpelare, är det förväntade mönstret endast närvarande i 50 % av enhetscellerna.
"Detta betyder att vi kan designa eutektiska material med mycket förutsägbara och konsekventa egenskaper. Denna kontrollnivå är avgörande för applikationer där enhetlighet direkt påverkar prestandan", säger Kang.
Mer information: Sung Bum Kang et al, högordnade eutektiska mesostrukturer via mallstyrd stelning inom termiskt konstruerade mallar, Avancerat material (2024). DOI:10.1002/adma.202308720
Tillhandahålls av University of Illinois Grainger College of Engineering
