Material anses ofta vara en fas, men många tekniska material innehåller två eller flera faser, vilket förbättrar deras egenskaper och prestanda. Dessa tvåfasmaterial har inneslutningar, kallade fällningar, inbäddade i mikrostrukturen.
Legeringar, en kombination av två eller flera typer av metaller, används i många applikationer, som turbiner för jetmotorer och lätta legeringar för fordonstillämpningar, eftersom de har mycket goda mekaniska egenskaper på grund av de inbäddade fällningarna. Den genomsnittliga fällningsstorleken tenderar dock att öka med tiden – i en process som kallas förgrovning – vilket resulterar i en försämring av prestandan för mikrostrukturer med fällningar i nanoskala.
Forskare vid University of Illinois Urbana-Champaign har identifierat en ny väg för att stabilisera fällningarna i nanoskala i legeringar. I en ny studie visar materialvetenskap och ingenjörsprofessor Pascal Bellon, postdoktor Gabriel Bouobda Moladje och deras medarbetare att det är möjligt att använda icke-jämviktsprocesser för att stoppa fällningens förgrovning, vilket resulterar i stabila nanostrukturer.
Resultaten av denna forskning publicerades nyligen i Physical Review Letters .
"Under de senaste två decennierna har forskare insett att att ha inneslutningar i nanoskala i strukturen som faktiskt kan vara mycket fördelaktiga för materialet", säger Bellon. "Utmaningen är att spontant vill dessa små partiklar växa sig större."
Tänk på det som att göra pasta:när olja tillsätts i det kokande vattnet kan oljedropparna vara små när de först tillsätts och rörs om, men om omrörningen avbryts kommer dropparna att kombineras och bilda större droppar. Detta är förgrovningsprocessen. "Om vi är intresserade av distribution av småskaliga föremål måste vi motarbeta denna naturliga tendens att saker och ting förgropas", förklarar Bellon.
Teamet använde beräkningsmodellering för att undersöka fällningar som bildas vid domänerna mellan olika kristaller av materialet, kallade korngränser, när de utsätts för bestrålning, en icke-jämviktskraft. I en jämviktsmiljö är krafterna balanserade och det sker ingen nettoförändring av materialet. I de flesta applikationer utsätts dock hårda material för icke-jämviktskrafter som bestrålning eller till och med omrörning. Därför är det viktigt att förstå hur fällningar utvecklas i sådana icke-jämviktsmiljöer.
"Vi var särskilt intresserade av legeringar som utsätts för energetisk partikelbestrålning", säger Bellon. "Detta är en situation som till exempel inträffar i material som används för kärntekniska tillämpningar. Det är också fallet för material som används i rymden, där de bombarderas av kosmiska strålar. Det vi specifikt tittade på var en modelllegering av aluminium och antimon ."
I legeringar av aluminium och antimon vill antimon bilda fällningar, som olja vill bilda droppar i vatten. Forskarna fann att när de bestrålades skulle fällningar bildas vid korngränserna som förväntat. Men de fann också att istället för att förgrova och fortsätta växa, skulle fällningarna nå en viss storlek och sluta. Detta kallas arresterat grovbeteende och var ett oväntat resultat.
Detta tillvägagångssätt skulle kunna tillämpas på andra materialsystem där transporten av arter spelar en viktig roll, som transporten av joniska arter mellan elektroder i batterier. I batterimaterial kan det vara fördelaktigt att ha små fällningar, eftersom stora fällningar kan generera mycket stress på materialet. I ett sådant fall skulle undertryckandet av förgrovning vara fördelaktigt.
Efter denna beräkningsforskning planerar Bellon, tillsammans med UIUC MatSE-professorerna Robert Averback och Marie Charpagne, att börja utforska experimentell validering av de nyligen publicerade resultaten. Bellon säger, "Vi är glada över att kombinera modellering, teori och experiment, samtidigt som vi drar fördel av alla materialforskningslaboratoriets verktyg, för att testa förutsägelserna från datorsimuleringar på experimentell nivå."
Mer information: G. F. Bouobda Moladje et al, Konvektionsinducerad kompositionsmönster vid korngränser i bestrålade legeringar, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.056201
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
Tillhandahålls av University of Illinois Grainger College of Engineering
