Materialen supersnel koelen, snelle stolling genoemd, voorkomt de vorming van de normale kristallijne structuren van materialen, waarbij vaak unieke eigenschappen ontstaan ​​in het proces. Als eenkristalgroeitechnieken aan het ene uiteinde van het materiaalsynthesespectrum zitten, het bevorderen van de groei van de kristallijne structuur van dat materiaal, snelle stollingstechnieken bevorderen het tegenovergestelde effect, het materiaal zo snel afkoelen van vloeibaar naar vast, dat de gevormde kristallen klein zijn, of in sommige gevallen niet aanwezig, amorf of glasachtig worden zonder waarneembaar kristallijn patroon voor hun algehele moleculaire structuur.

Het is ook een manier om composietmaterialen te vormen waarvan de bestanddelen sterk variërende "vriestemperaturen" hebben.

"Als je een gesmolten metaal neemt en het afkoelt, wat zich wil vormen, hangt af van de chemie, " zei Ames Laboratory-wetenschapper en afdeling Materials Sciences and Engineering Director Matt Kramer, "omdat wat zich wil vormen niet altijd een homogene vaste stof is."

Bijvoorbeeld, als u een mengsel van water en alcohol invriest, het water zal eerst stollen - verandert in ijs - terwijl de alcohol vloeibaar blijft, een slushy mengsel achterlatend totdat de temperatuur is verlaagd tot het vriespunt van de alcohol.

"Dus als je een gesmolten legering giet, kleine kristallen vormen zich snel op het oppervlak van de mal, je krijgt scheiding van de materialen en de resterende vloeistof wordt verrijkt, " zei Kramer, die ook een adjunct-hoogleraar materiaalwetenschap en techniek aan de Iowa State University is, "wat resulteert in een heterogeen bulkmateriaal."

Door de snelle stolling kan het materiaal extreem snel afkoelen om de segregatie te onderdrukken of zelfs te elimineren. Technieken variëren van stripgieten, die materialen koelt op ongeveer 1, 000 Kelvin per seconde voor splat-quenching, wat, zoals de naam impliceert, drukt een druppel vloeibaar materiaal tussen twee platen. Splat-quenching kan het materiaal afkoelen tot wel 108 Kelvin per seconde.

"Waarom is dat belangrijk? Omdat er een intieme relatie is tussen temperatuur en het tijdstip waarop materialen afkoelen, "Zei Kramer. "We noemen het TTT - Tijd-Temperatuur Transformatie."

Het duurt een bepaalde eindige hoeveelheid tijd voordat de eerste kristallen zich vormen, een proces dat nucleatie wordt genoemd. Het gesmolten materiaal moet zichzelf organiseren in kristallen van slechts enkele tientallen atomen breed en dan moeten die kristallen groeien.

"Er is een zeer niet-lineaire relatie tussen tijd- en temperatuurtransformatie, "Vervolgde Kramer. "Het stollen vindt plaats over een breed temperatuurbereik. Bij een te hoge temperatuur, het blijft gesmolten. Bij een temperatuur net onder de smelttemperatuur, het materiaal stolt langzaam, en in gevallen waar bestanddelen verschillende smelttemperaturen hebben, significante segregatie in het gietstuk kan optreden als het langzaam wordt afgekoeld.

Snelle stollingstechnieken stellen onderzoekers in staat om de tijd-temperatuurtransformatie te omzeilen, zodat een gesmolten metaallegering ontstaat zonder een kristallijne orde, het creëren van een metalen glas.

"Glazige metalen hebben een aantal zeer ongebruikelijke eigenschappen, "Zei Kramer. "Gemiddeld, ze hebben de neiging om zeer goede kracht te hebben, maar niet veel plasticiteit, dus ze zijn moeilijk in vormen te kneden."

Echter, door eerst een metallisch glas te vormen, dan het materiaal weer opwarmen, onderzoekers kunnen metastabiele fasen van het materiaal bereiken die niet met andere methoden kunnen worden bereikt, zoals gieten. En deze tussenfasen kunnen gewenste eigenschappen hebben zoals sterkte, ductiliteit, weerstand, of geleidbaarheid.

"Het manipuleren van de fasen, hun maten, de mate waarin we hun groei kunnen beheersen, en zelfs hun morfologie, of vormen, zijn allemaal begraven in de details van de klassieke tijd-temperatuurtransformatie, "Zei Kramer. "Veel van het werk dat we doen, is proberen de relatieve balans tussen koelsnelheden en faseselectieproces te begrijpen. Hoe kunnen we die voorspellen en beheersen, zodat we verder kunnen gaan dan een Edisoniaanse benadering."

Onderzoekers van Ames Laboratory gebruiken verschillende technieken, waaronder smeltspinnen en spuitgieten om kleinkorrelige en amorfe materialen te produceren.

Smelt spinnen

Bij deze techniek wordt een stroom gesmolten materiaal op een draaiend koperen wiel geschoten waar het snel stolt, vormen een lint van metaal. Het koperen wiel is typisch watergekoeld en afhankelijk van de snelheid waarmee het draait, tot 30 meter per seconde, het gesmolten metaal wordt geblust tot 106 Kelvin per seconde.

"Er zijn grenzen aan het proces, " zei Ames Laboratory wetenschapper en ISU universitair hoofddocent materiaalwetenschap en techniek Jun Cui. "Het koperen wiel moet perfect in balans zijn om met zulke hoge snelheden te kunnen draaien. En voorbij een bepaald punt, het materiaal vloeit niet meer in een lint maar breekt uit elkaar."

Er is ook een variatie in het proces waarbij het koperen wiel kleine groeven heeft die over het oppervlak zijn gesneden. Deze groeven breken het afgekoelde metaal opzettelijk in korte reepjes, die

Cui zei dat het in sommige toepassingen gemakkelijker is om mee te werken.

spuitgieten

Zoals de naam impliceert, spuitgieten dwingt het gesmolten materiaal in een koperen mal, meestal een kleine cilinder die korte staven met een diameter van één tot vier millimeter zal produceren.

De mal wordt vastgehouden in een grotere watergekoelde koperen mal, waardoor de afschriksnelheid snel genoeg is om amorfe (glasachtige) monsters in sommige legeringen te produceren.

"Kleine monsters - meestal minder dan vijf gram - worden in een grafiet- of kwartsmondstuk geplaatst en door inductie snel verwarmd tot enkele honderden graden boven het smeltpunt, " zei Matt Besser, Ames Laboratory-wetenschapper en manager van het Materials Preparation Center van het laboratorium. "Vervolgens laten we het uit de verwarmingszone vallen en brengen het systeem onder druk zodat het materiaal in de mal spuit."

Door verschillende vormen te gebruiken, materiaal kan in platen gegoten worden, of wiggen. Besser zei dat thermokoppels langs de lengte van de wig kunnen worden geplaatst om het verschil in afkoelsnelheden te meten van de snelste aan de dunne punt tot de langzaamste aan het dikkere uiteinde.

"We zijn in staat om monsters te fabriceren om aan specifieke behoeften te voldoen, "Besser zei, "en het is handig omdat we kleine monsters kunnen maken, vooral als de legering dure materialen bevat."

Op zoek naar verklaringen voor stollingspuzzels

Een van de meest voorkomende en robuuste manieren om een ​​nieuw materiaal te maken, in het bijzonder een metaallegering, is het smelten van twee of meer samenstellende materialen, meng ze in vloeibare toestand, bevries of "stol" ze vervolgens onder bepaalde gecontroleerde omstandigheden. Hoewel ogenschijnlijk eenvoudig, stollingsverwerking kan een ongelooflijke verscheidenheid aan materiaalstructuren produceren met belangrijke kenmerken op schalen van nanometers tot centimeters, die aanleiding geven tot een groot aantal opmerkelijke eigenschappen, variërend van verbeterde sterkte en stijfheid tot ongebruikelijke magnetische, thermisch, elektrisch, en fotonische eigenschappen.

Maar de make-up en structuur, en dus de eigenschappen, van dat eindresultaat kan sterk variëren, afhankelijk van een verscheidenheid aan omstandigheden die aanwezig zijn als het materiaal overgaat van vloeibaar naar vast. Ames Laboratory-wetenschapper Ralph Napolitano probeert uit te leggen en te voorspellen wat er gebeurt op dat grensvlak tussen vloeistof en vaste stof en hoe die verschillende interacties resulteren in bepaalde structuren, chemie en eigenschappen.

"Als een materiaal van een vloeibare naar een vaste fase gaat, er moeten veel dingen gebeuren als onderdeel van die transformatie, " zei Napolitano, die ook een Iowa State University hoogleraar materiaalwetenschap en techniek is. "Nominaal gesproken, een amorfe of niet-kristallijne vloeibare fase moet zichzelf herconfigureren tot een soort kristallijne pakking. Maar er vinden veel andere gelijktijdige gebeurtenissen plaats om dat mogelijk te maken. Inderdaad, het is de manier waarop de verschillende transportprocessen en verschillende structurele entiteiten in die vergelijking komen die echt van invloed zijn op hoe die uiteindelijke structuur eruit kan zien."

Als evenwicht het normale of verwachte resultaat oplevert, er zijn allerlei afwijkingen die het resultaat uit evenwicht kunnen verschuiven. Sommigen van hen zijn zeer kleine afwijkingen, zoals enigszins verschillende chemische samenstellingen of enigszins verschillende concentraties van verschillende soorten kristallijne defecten. Afwijkingen kunnen ook erg groot zijn - een compleet andere kristallijne pakking of samenstelling of zelfs een reeks van meerdere fasen die je misschien nooit dichter bij een evenwicht ziet.

"Wat bepaalt hoe ver je verwijderd bent van de uiteindelijke evenwichtstoestand, is wat er gebeurt langs dat pad van de evenwichtsvloeistof naar deze verre van evenwichtsstructuur, "Zei Napolitano. "Het variëren van de samenstelling van een materiaal en de snelheid waarmee we het afkoelen, heeft een dramatische invloed op de eindfase of assemblage."

"Naast alleen de fase - de specifieke kristalstructuur - hebben de omstandigheden tijdens het invriezen een grote invloed op de groeimorfologie, " vervolgde hij. "Elke bepaalde fase zal groeien met een bepaalde morfologie die dynamisch is geoptimaliseerd met betrekking tot alle verschillende processen - zoals de herverdeling van warmte, chemische soorten, en configuratie van kristallijne defecten, waardoor de algehele transformatie efficiënter wordt. Samenstelling en afkoelsnelheid, samen met de fase zelf en de energieën van de kristaldefecten en interfaces, spelen allemaal een rol in deze collectieve dynamische optimalisatie, uiteindelijk resulterend in de selectie van de uiteindelijke staat, die in niets lijkt op de evenwichtstoestand.

"Deze verre van evenwichtssynthese biedt een portaal of pad naar structuren, chemie, en eigenschappen die niet toegankelijk zijn via conventionele methoden, ' zei Napolitano.

Om de zaken nog ingewikkelder te maken, deze routes kunnen verschillende andere stappen omvatten - voor en na stolling, zodat de complexe bevriezingsstructuur slechts als een tussenstap kan dienen, op weg naar een gewenste structuur.

De koelsnelheid zorgt voor een hoge mate van controle in bepaalde vensters. Aan het lage (trage) einde, koelsnelheid kan zeer zorgvuldig worden gecontroleerd, en zelfs koelsnelheden van isotherme behandelingen tot 100 graden per seconde kunnen redelijk goed worden gecontroleerd.

"We kunnen naar koelsnelheden van 10 . gaan ³ tot 10 ⁴ graden per seconde met technieken als smeltspinnen, maar binnen dat raam, procesbeheersing is een uitdaging en er bestaan ​​lokale variaties, " zei Napolitano. "We hebben dergelijke variaties onderzocht, en ons begrip is zeker toegenomen. Toch, met relatief weinig 'procesknoppen' om aan te draaien (bijv. smelttemperatuur, wiel snelheid, wiel materiaal, injectiesnelheid en stroomdiameter), nauwkeurige kwantitatieve controle blijft een echte uitdaging."

Als strategie om een ​​duidelijker beeld te krijgen van het complexe gedrag, De groep van Napolitano heeft ervoor gekozen om zich te concentreren op een paar selecte tweecomponenten- of "binaire" systemen. Vooral, binaire systemen, zoals koper-zirkonium en aluminium-samarium, bieden geweldige mogelijkheden om transformaties die verre van evenwicht zijn, te onderzoeken. Deze systemen vertonen complexe competitieve stolling, glas vorming, en kristallisatie, vormen een groot aantal niet-evenwichtsfasen en groeistructuren op meerdere schalen. Tegelijkertijd, met slechts twee componenten, analytische en computationele behandeling van de thermodynamica en kinetiek worden handelbaarder, vergeleken met meercomponentensystemen.

"Met beide systemen er is een samenstellingsbereik waarover de vloeistof vrij gemakkelijk een glas vormt, zodat je het kunt koelen met snelheden die experimenteel haalbaar zijn, " zei Napolitano. "Zodra de legering glazig is, andere behandelingen kunnen worden gebruikt om het materiaal bij lage temperatuur te kristalliseren. Bij dit regime omstandigheden kunnen zorgvuldig worden gecontroleerd, en reacties kunnen aanzienlijk worden vertraagd, zelfs in-situ real-time onderzoek mogelijk maken. Natuurlijk, het hebben van een nauwkeurig en uitgebreid beeld van de systeemthermodynamica is van cruciaal belang. Of u het materiaal nu direct uit een vloeistof laat stollen, of eerst afschrikken tot een glas en vervolgens verhitten om het materiaal te kristalliseren, je hebt nog steeds datzelfde thermodynamische speelveld."

Het aluminium-samariumwerk wordt uitgebreid naar een groter scala aan binaries, inclusief andere aluminium-zeldzame aarde legeringen. In het algemeen, van die systemen wordt verwacht dat ze soortgelijk gedrag vertonen, hoewel Napolitano waarschuwt dat zeer subtiele effecten de balans tussen verschillende fasen en groeistructuren dramatisch kunnen doen doorslaan. Er bestaan ​​zeer kleine energetische verschillen tussen de concurrerende fasen. Onder hoge drijvende krachten, deze verschillen zijn vaak verwaarloosbaar en de kinetische paden bepalen de uitkomst. Zelfs veranderingen in de chemische samenstelling in de orde van een procent of minder kunnen de uiteindelijke toestand drastisch veranderen.

"Dit soort onderzoek is alleen mogelijk door veel verschillende benaderingen in de theoretische fysica van de gecondenseerde materie samen te brengen, materiaal kunde, computationele thermodynamica, synthese van materialen, en state-of-the-art karakterisering, " zei Napolitano. "Er is geen twijfel dat dit werk het volledige scala aan experimentele en computationele capaciteiten en een team van onderzoekers met een breed scala aan expertise vereist."

Daartoe, de nieuwe elektronenmicroscopie-apparatuur in de Sensitive Instrument Facility (SIF) van Ames Laboratory zal een cruciale rol spelen. "Het is niet alleen belangrijk in termen van ruimtelijke resolutie, maar ook enkele van de mogelijkheden in situ, "Hij zei. "Hot-stage transmissie-elektronenmicroscopie met resolutie op atomaire schaal zal ons in staat stellen om te kijken naar enkele van de dynamieken in de vroege stadia die echt keerpuntgebeurtenissen zijn die de neiging hebben om het materiaal een heel ander traject af te sturen. Dus absoluut, de SIF is van cruciaal belang om vooruitgang te boeken op dit gebied."