Materialen worden vaak als één fase beschouwd, maar veel technische materialen bevatten twee of meer fasen, waardoor hun eigenschappen en prestaties verbeteren. Deze tweefasige materialen hebben insluitsels, precipitaten genoemd, ingebed in de microstructuur.

Legeringen, een combinatie van twee of meer soorten metalen, worden in veel toepassingen gebruikt, zoals turbines voor straalmotoren en lichtgewicht legeringen voor automobieltoepassingen, omdat ze zeer goede mechanische eigenschappen hebben vanwege de ingebedde neerslagen. De gemiddelde neerslaggrootte neigt echter in de loop van de tijd toe te nemen (in een proces dat vergroving wordt genoemd), wat resulteert in een verslechtering van de prestaties van microstructuren met neerslag op nanoschaal.

Onderzoekers van de Universiteit van Illinois Urbana-Champaign hebben een nieuwe route geïdentificeerd om de neerslagen op nanoschaal in legeringen te stabiliseren. In een nieuwe studie laten materiaalwetenschap en techniekprofessor Pascal Bellon, postdoctoraal onderzoeker Gabriel Bouobda Moladje en hun medewerkers zien dat het mogelijk is om niet-evenwichtsprocessen te gebruiken om de vergroving van neerslag te stoppen, wat resulteert in stabiele nanostructuren.

De resultaten van dit onderzoek zijn onlangs gepubliceerd in Physical Review Letters .

"In de afgelopen twintig jaar hebben onderzoekers zich gerealiseerd dat het hebben van insluitsels op nanoschaal in de structuur feitelijk zeer gunstig kan zijn voor het materiaal", zegt Bellon. "De uitdaging is dat deze kleine deeltjes spontaan groter willen worden."

Zie het als het maken van pasta:wanneer olie aan het kokende water wordt toegevoegd, kunnen de oliedruppels klein zijn als ze voor het eerst worden toegevoegd en geroerd, maar als het roeren wordt gestopt, zullen de druppels samen grotere druppels vormen. Dit is het verruwingsproces. "Als we geïnteresseerd zijn in de distributie van kleinschalige objecten, moeten we deze natuurlijke neiging om dingen te vergroven tegen te gaan", legt Bellon uit.

Het team gebruikte computermodellen om neerslagen te onderzoeken die werden gevormd op de domeinen tussen verschillende kristallen van het materiaal, de zogenaamde korrelgrenzen, wanneer ze werden blootgesteld aan bestraling, een kracht die niet in evenwicht is. In een evenwichtsomgeving zijn de krachten in evenwicht en is er geen netto verandering in het materiaal. In de meeste toepassingen worden harde materialen echter onderworpen aan krachten die niet in evenwicht zijn, zoals bestraling of zelfs roeren. Daarom is het belangrijk om te begrijpen hoe neerslag evolueert in dergelijke niet-evenwichtsomgevingen.

"We waren vooral geïnteresseerd in legeringen die werden blootgesteld aan energetische deeltjesbestraling", zegt Bellon. “Dit is een situatie die zich bijvoorbeeld voordoet bij materialen die voor nucleaire toepassingen worden gebruikt. Dit geldt ook voor materialen die in de ruimte worden gebruikt, waar ze worden gebombardeerd door kosmische straling. Waar we specifiek naar keken was een modellegering van aluminium en antimoon. ."

In legeringen van aluminium en antimoon wil antimoon neerslagen vormen, zoals olie druppels in water wil vormen. De onderzoekers ontdekten dat bij bestraling, zoals verwacht, zich neerslag zou vormen aan de korrelgrenzen. Maar ze ontdekten ook dat de neerslag in plaats van te vergroven en te blijven groeien, een bepaalde omvang zou bereiken en zou stoppen. Dit heet gearresteerd grof gedrag en was een onverwacht resultaat.

Deze aanpak zou kunnen worden toegepast op andere materiaalsystemen waarbij het transport van soorten een belangrijke rol speelt, zoals het transport van ionen tussen elektroden in batterijen. Bij batterijmaterialen kan het voordelig zijn om kleine neerslagen te hebben, omdat grote neerslagen veel spanning op het materiaal kunnen veroorzaken. In een dergelijk geval zou het onderdrukken van verruwing gunstig zijn.

Na dit computationele onderzoek is Bellon, samen met UIUC MatSE-professoren Robert Averback en Marie Charpagne, van plan om experimentele validatie van de onlangs gepubliceerde resultaten te onderzoeken. Bellon zegt:"We zijn enthousiast om modellering, theorie en experimenten te combineren, terwijl we profiteren van alle tools van het Materials Research Laboratory, om de voorspellingen van computersimulaties op experimenteel niveau te testen."

Meer informatie: G. F. Bouobda Moladje et al, Convectie-geïnduceerde compositiepatronen bij korrelgrenzen in bestraalde legeringen, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.056201

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven

Aangeboden door Grainger College of Engineering van de Universiteit van Illinois