Kylmaterial supersnabbt, kallas snabb stelning, förhindrar att de normala kristallina strukturerna av material bildas, skapar ofta unika egenskaper i processen. Om enkelkristalltillväxttekniker sitter i ena änden av materialsyntespektrumet, främja tillväxten av det materialets kristallina jämviktsstruktur, snabb stelningsteknik främjar motsatt effekt, kyler materialet så snabbt från flytande till fast, att de kristaller som bildas är små, eller i vissa fall obefintlig, blir amorfa eller glasliknande utan något urskiljbart kristallint mönster för deras övergripande molekylstruktur.

Det är också ett sätt att bilda kompositmaterial vars beståndsdelar har mycket varierande "frysning" -temperaturer.

"Om du tar en smält metall och kyler den, vad som vill bilda varierar beroende på dess kemi, "säger Ames laboratorieforskare och avdelningen för materialvetenskaps- och teknikdirektör Matt Kramer, "eftersom det som vill bildas inte alltid är ett homogent fast ämne."

Till exempel, om du fryser en blandning av vatten och alkohol, vattnet stelnar först - blir till is - medan alkoholen förblir flytande, lämna en slushy blandning tills temperaturen sänks till alkoholens frysningstemperatur.

"Så när du gjuter en smält legering, små kristaller bildas snabbt på formens yta, du får separering av materialen och den återstående vätskan berikas, "sa Kramer, som också är adjungerad professor i materialvetenskap och teknik vid Iowa State University, "vilket resulterar i ett heterogent bulkmaterial."

Snabb stelning gör att materialet svalnar extremt snabbt för att undertrycka eller till och med eliminera segregeringen. Tekniker sträcker sig från bandgjutning, som kyler material till cirka 1, 000 Kelvin per sekund för att släcksläcka, vilket, som namnet antyder, klämmer en droppe flytande material mellan två plattor. Splatkylning kan kyla materialet så högt som 108 Kelvin per sekund.

"Varför är det viktigt? För det finns ett intimt förhållande mellan temperatur och den tid då material svalnar, " sa Kramer. "Vi kallar det TTT—Tid-Temperature Transformation."

Det tar en viss begränsad tid innan de första kristallerna bildas, en process som kallas kärnbildning. Det smälta materialet måste organisera sig i kristaller som bara är några tiotal atomer tvärs över och sedan behöver dessa kristaller växa.

"Det finns ett mycket icke-linjärt samband mellan tid och temperaturomvandling, "Kramer fortsatte." Stelning sker över ett brett temperaturintervall. Vid för hög temperatur, det förblir smält. Vid en temperatur strax under smälttemperaturen, materialet stelnar långsamt, och i fall där beståndsdelar har olika smälttemperaturer, betydande segregering i gjutningen kan uppstå om den kyls långsamt.

Snabba stelningstekniker gör det möjligt för forskare att kringgå tid-temperaturomvandlingen så att en smält metalllegering bildas utan kristallin ordning, skapa ett metalliskt glas.

"Glassiga metaller har några mycket ovanliga egenskaper, "Sa Kramer." I genomsnitt de tenderar att ha mycket bra styrka, men inte mycket plasticitet, så de är svåra att forma till former. "

Dock, genom att först bilda ett metalliskt glas, värm sedan upp materialet igen, forskare kan uppnå metastabila faser av materialet som inte kan uppnås med andra metoder, som gjutning. Och dessa mellanfaser kan ha önskvärda egenskaper som styrka, duktilitet, motstånd, eller konduktivitet.

"Manipulera faserna, deras storlekar, i vilken grad vi kan kontrollera deras tillväxt, och till och med deras morfologi, eller former, är alla begravda i detaljerna i den klassiska tidstemperaturomvandlingen, "Kramer sa." Mycket av det arbete vi gör försöker förstå den relativa balansen mellan kylhastigheter och fasvalprocess. Hur kan vi förutsäga och kontrollera dem så att vi kan gå bortom en Edisonian -strategi. "

Forskare vid Ames Laboratory använder flera tekniker, inklusive smältspinning och sprutgjutning för att producera småkorniga och amorfa material.

Smält snurrar

Denna teknik innebär att skjuta en ström av smält material på ett snurrande kopparhjul där det stelnar snabbt, bildar ett band av metall. Kopparhjulet är vanligtvis vattenkyldt och beroende på hastigheten med vilket det snurrar, upp till 30 meter per sekund, den smälta metallen släcks upp till 106 Kelvin per sekund.

"Det finns gränser för processen, "sade Ames Laboratory -forskare och ISU -docent i materialvetenskap och teknik Jun Cui." Kopparhjulet måste vara perfekt balanserat för att snurra i så höga hastigheter. Och bortom en viss punkt, materialet flyter inte längre i ett band utan går sönder. "

Det finns också en variation i processen där kopparhjulet har små spår som skärs över sin yta. Dessa spår bryter avsiktligt den kylda metallen i korta remsor, som

Cui sade är lättare att arbeta med i vissa applikationer.

Injektionsgjutning

Som namnet antyder, sprutgjutning tvingar det smälta materialet till en kopparform, vanligtvis en liten cylinder som kommer att producera korta stavar en till fyra millimeter i diameter.

Formen hålls inuti en större vattenkyld kopparform som ger släckhastigheter tillräckligt snabbt för att producera amorfa (glasartade) prover i vissa legeringar.

"Små prover - vanligtvis mindre än fem gram - placeras i ett grafit- eller kvartsmunstycke och upphettas snabbt genom induktion till flera hundra grader över smältpunkten, "sa Matt Besser, Ames laboratorieforskare och chef för laboratoriets materialberedningscenter. "Vi släpper det sedan ur värmezonen och trycksätter systemet så att materialet sprutar in i formen."

Genom att använda olika formade formar, material kan gjutas i plattor, eller kilar. Besser sa att termoelementen kan placeras längs kilens längd för att mäta skillnaden i kylhastigheter från den snabbaste vid den tunna spetsen till den långsammaste i den tjockare änden.

"Vi kan tillverka prover för att passa specifika behov, "Besser sa, "och det är bekvämt eftersom vi kan producera små prover, speciellt när legeringen innehåller dyra material."

Söker förklaringar till stelnande pussel

Ett av de vanligaste och mest robusta sätten att skapa ett nytt material, särskilt en metalllegering, är att smälta två eller flera ingående material, blanda dem i flytande tillstånd, frys eller "stelna" dem sedan under vissa kontrollerade förhållanden. Även om det verkar enkelt, stelning bearbetning kan producera en otrolig variation av materialstrukturer med viktiga funktioner på skalor från nanometer till centimeter, ger upphov till en mängd anmärkningsvärda egenskaper som sträcker sig från ökad styrka och styvhet till ovanlig magnetisk, termisk, elektrisk, och fotoniska egenskaper.

Men smink och struktur, och därmed fastigheterna, slutresultatet kan variera mycket beroende på en mängd olika förhållanden när materialet övergår från vätska till fast material. Ames laboratorieforskare Ralph Napolitano arbetar med att förklara och förutsäga vad som händer på det vätskefasta gränssnittet och hur dessa olika interaktioner resulterar i vissa strukturer, kemi och egenskaper.

"När ett material går från en vätska till en fast fas, många saker måste hända som en del av den omvandlingen, "sa Napolitano, som också är professor i materialvetenskap och teknik vid Iowa State University. "Nominellt sett, en amorf eller icke-kristallin vätskefas måste omkonfigurera sig till någon form av kristallin packning. Men många andra samtidiga händelser äger rum för att få det att hända. Verkligen, det är sättet som de olika transportprocesserna och olika strukturella enheterna går in i den ekvationen som verkligen påverkar hur den slutliga strukturen kan se ut. "

Om jämvikt ger det normala eller förväntade resultatet, det finns alla slags avvikelser som kan flytta resultatet från jämvikt. Några av dem är mycket små avvikelser, såsom något olika kemiska kompositioner eller något olika koncentrationer av olika typer av kristallina defekter. Avvikelser kan också vara mycket stora - helt olika kristallin packning eller sammansättning eller till och med en rad flera faser som du kanske aldrig ser närmare jämvikt.

"Det som dikterar hur långt bort från det slutliga jämviktsläget du kan vara är vad som händer längs vägen från jämviktsvätskan till denna långt ifrån jämviktsstruktur, "Napolitano sa." Att variera sammansättningen av ett material och den hastighet med vilken vi kyler det har dramatiskt inflytande över slutfasen eller sammansättningen. "

"Utöver bara fasen - den speciella kristallina strukturen - påverkar förhållandena under frysning i hög grad tillväxtmorfologin, "fortsatte han." Varje given fas kommer att växa med en viss morfologi som är dynamiskt optimerad med avseende på alla de olika processerna - till exempel omfördelning av värme, kemiska arter, och konfiguration av kristallina defekter - vilket gör den övergripande transformationen mer effektiv. Sammansättning och kylningshastighet, tillsammans med själva fasen och energierna i kristalldefekterna och gränssnitten, alla spelar en roll i denna kollektiva dynamiska optimering, resulterar slutligen i valet av slutstatus, som kanske inte ser ut som jämviktstillstånd.

"Denna långt ifrån jämviktssyntes ger en portal eller väg till strukturer, kemi, och egenskaper som inte är tillgängliga med konventionella metoder, "Sa Napolitano.

För att komplicera saken, dessa vägar kan innefatta flera andra steg - före och efter stelning, så att den komplexa frysningsstrukturen bara kan fungera som ett mellanstadium, längs vägen till en önskad struktur.

Kylningshastigheten ger hög kontroll i vissa fönster. I den låga (långsamma) änden, kylhastigheten kan kontrolleras mycket noggrant, och även kylhastigheter från isotermiska behandlingar till 100 grader per sekund kan kontrolleras rimligt bra.

"Vi kan gå till kylhastigheter på 10 ³ till 10 ⁴ grader per sekund med tekniker som smältspinning, men inom det fönstret, processkontroll är utmanande och lokala variationer finns, "Sa Napolitano." Vi har undersökt sådana variationer, och vår förståelse har verkligen ökat. Ändå, med relativt få 'processrattar' att vrida (t.ex. smälttemperatur, hjulets hastighet, hjulmaterial, injektionshastighet och strömdiameter), exakt kvantitativ kontroll är fortfarande en verklig utmaning. "

Som en strategi för att avslöja en tydligare bild av de komplexa beteenden, Napolitanos grupp har valt att fokusera på några utvalda tvåkomponents- eller "binära" system. Särskilt, binära system, såsom koppar-zirkonium och aluminium-samarium, ger stora möjligheter att undersöka långt-ifrån-jämviktstransformation. Dessa system uppvisar komplex konkurrenskraftig stelning, glasbildning, och kristallisation, bildar en mängd icke-jämviktsfaser och tillväxtstrukturer i flera skalor. På samma gång, med bara två komponenter, analytisk och beräkningsmässig behandling av termodynamik och kinetik blir mer överkomlig, jämfört med flerkomponentsystem.

"Med båda dessa system, det finns ett sammansättningsintervall över vilket vätskan bildar ett glas ganska enkelt så att du kan kyla det med hastigheter som kan uppnås experimentellt, "Sa Napolitano." När legeringen är glasig, andra behandlingar kan användas för att kristallisera materialet vid låg temperatur. I denna regim, förhållandena kan kontrolleras noggrant, och reaktionerna kan bromsas avsevärt, till och med tillåter in-situ realtidsundersökningar. Självklart, att ha en korrekt och heltäckande bild av systemets termodynamik är avgörande. Oavsett om du stelnar materialet direkt från en vätska, eller först släcka till ett glas och sedan värma för att kristallisera materialet, du har fortfarande samma termodynamiska spelplan. "

Aluminium-samariumarbetet utökas till ett större antal binära filer, inklusive andra legeringar av sällsynta jordartsmetaller. I allmänhet, dessa system förväntas uppvisa liknande beteenden, även om Napolitano varnar för att mycket subtila effekter dramatiskt kan tippa balansen mellan olika faser och tillväxtstrukturer. Mycket små energiska skillnader finns mellan de konkurrerande faserna. Under höga drivkrafter, dessa skillnader är ofta försumbara och de kinetiska vägarna styr resultatet. Även förändringar i kemisk sammansättning i storleksordningen en procent eller mindre kan dramatiskt förändra det slutliga tillståndet.

"Den här typen av studier är bara möjlig genom att sammanföra många olika tillvägagångssätt inom teoretisk fysik av kondenserad materia, materialvetenskap, beräkningstermodynamik, materialsyntes, och toppmodern karakterisering, " Napolitano sa. "Det råder ingen tvekan om att detta arbete kräver hela skalan av experimentell och beräkningsförmåga och ett team av utredare med ett brett spektrum av expertis."

För detta ändamål, den nya elektronmikroskopiutrustningen vid Ames Laboratory's Sensitive Instrument Facility (SIF) kommer att spela en viktig roll. "Det är viktigt inte bara när det gäller rumslig upplösning, men några av in situ-funktionerna också, "sa han." Hot-stage transmissionselektronmikroskopi med atomskalaupplösning kommer att tillåta oss att titta på några av de tidiga skeden dynamik som verkligen är vattendelare som tenderar att skicka materialet ner en helt annan bana. Så absolut, SIF är avgörande för att gå vidare på detta område."