התפקיד של חומרים ננו-מבנים בצורות הדור הבא

יסודות של חומרים ננו-מבנים בתצורת מתכת

חומרים מבנים מייצגים שינוי פרדיגמטי במדעי החומרים, במיוחד עבור יצירת יישומים שבהם מתכות קונבנציונליות להגיע לגבולות ביצועים. על ידי הגדרה, חומרים אלה יש תכונות מיקרו-מבנה - דגנים, precipitates, או שכבות - עם לפחות ממד אחד מתחת 100 ננומטרים. בקנה מידה זה, נפח של גבולות דגנים הופך משמעותי, לעתים קרובות מעל 50% במכות ננוקריסטליות צפופות לחלוטין.

מערכת היחסים של הול-פטר, החיזוי כי כוח הניב עולה עם גודל דגנים מופחת, מחזיק בערך 10-15 nm עבור רוב המתכות.למטה סף זה, התנהגות ה-Hall-Petch הפוכה עלולה להתרחש, אבל חומרים שנוצרו טיפוסיים הפועלים בטווח המועיל. לדוגמה, ננוקריסטלית תצוגות מניבה חוזקות של 400-600 MPa - כמעט חמש פעמים של נחושת קונבנציונלית - בעוד שמירה סבירה על כוח המניעה וכושר המניעה הוא בעל עוצמה.

מעבר לעוצמה, ננוור משפיע גם על הרגישות של קצב הלחץ, לעבוד קשה התנהגות, ויציבות תרמית. גורמים אלה משפיעים ישירות על יכולת צורה בתהליכים כגון ציור עמוק, בולים, חדירה, ויצרו מצטברים.הבנת הקישורים המתקדמים של עיבוד-מבנה-היתר הוא חיוני עבור מהנדסים שמטרתו להחליף ⁇ קונבנציונליים עם גרסאות ננו-מבנה.

נתיבי עיבוד חומריים עבור ננו-בינום תצורת מניות

ייצור חומרים nanostructured גדול מתאים ליצירת דורש שיטות מיוחדות שיכולות בקנה מידה לממדי תעשייה. 3 מסלולים עיקריים לשלוט במחקר הנוכחי ויישום מסחרי:

מספר עיוותים פלסטיים (SPD)

טכניקות כגון גישור שווה ערוצים (ECAP), מומנטום בלחץ גבוה (HPT), ו אג"ח רול מצטבר (ARB) כופים מאוד גבוה כדי לחדד מבנים דגנים ללא שינוי צורה נטו. ECAP, למשל, יכול לייצר שטרות של אלומיניום, נחושת, או טיטניום עם גדלים מתחת 200m לאחר עוברי חיוב אלה משמשים אז כמו חומרים מלחיצים באופן מלא כמו חומרים סטריליים קריטיים או חומרים מכוננים.

Cryomilling and Consolidation

כדור Cryogenic משקע של אבקת מתכת, ואחריו לחץ עז (HIP) או ניצוץ פלזמה חטא (SPS), מניב קומפקטיות nanostructured עם גרגרי בטווח 20-100 nm. גישה זו יעילה במיוחד עבור פיזור סגסוגת מכווצת, שבו חלקיקים בגודל ננו או חלקיקים ניטרלייד מסב גבולות דגנים.

טכניקות אלקטרודה ו- Thin-סרט

עבור יישומים הדורשים משככי משקל או חלקיקים שנוצרו בקנה מידה מיקרו, אלקטרודה על תבניות nanostructured יכול לייצר סרטים עם גדלים דגנים עד 10 nm. Pulse אלקטרודהפוזיציה, בפרט, מאפשר שליטה מדויקת על גודל דגנים באמצעות מודולציה נוכחית. אלה סרטים דקים למצוא שימוש ב- MEMS, אנשי קשר חשמליים, ומיקרו-מיקודר שבו לא יכול להשיג את הסובלנות הממדית הנדרשת.

כל נתיב עיבוד מטיל עלות משלו, קנה מידה וסחר רכוש. SPD מתאים היטב עבור שטרות גדולים אבל יש מוגבל באמצעות חישוב; זעקה מאפשרת גמישות ⁇ אבל דורש שליטה הדבקה זהירה; אלקטרודה מצטיין בסעיפים קטנים אך מאבקים עם חלקים עבים.הבחירה תלויה ביישום, נפח, מערכת חומר.

התפתחות מיקרו-מבנה במהלך יצירת חומרים ננו-מבנים

אחד ההיבטים הקריטיים ביותר של שימוש בחומרים ננו-מבנים ביצירתו הוא להבין כיצד מבנה דגנים ננומטרי מתפתח תחת הלחץ המוטל, מתחים וטמפרטורות.בניגוד לחומרים קונבנציונליים שבהם הגידול בדגנים הוא מינימלי בטמפרטורות שנוצרו טיפוסיות, מתכות ננו-מבנים הם metastableally metastable.

במהלך יצירת חם או חם - לעתים קרובות הכרחי כדי לשפר את הנקטריות במכות ננוקליות - גידול תבואה יכול להתרחש במהירות.לדוגמה, ניקל ננוקריסטל עם גודל גרגר ראשוני של 30 ננומטר יכול לגדול ל -100+ nm בתוך דקות ב 300 מעלות צלזיוס. זה מקטין את היתרון כוח אבל עשוי לשפר את יכולת הצורה.ה הוא לעצב חלונות (זמן, מתח, וזמן צמחי) עם יציבות הנדרשת עם יציבות.

רדיפת דינמי (DRX) מתנהגת גם באופן שונה במתכות nanostructured.הדחיסות הגבוהה של גבולות דגנים ומומים מאוחסנים ⁇ מקדם התחדשות דינמית מתמשכת (cDRX) ולא תהליך חדלות קלאסי.זה יכול להוביל לזיכוך נוסף או היווצרות של התפלגות בגודל דגנים דו-ממדי, אשר ניתן למנף עבור שילובים משופרים של כוח ודקטינות.

כלים מתקדמים לאופיון - אלקטרונים backscatter diffraction (EBSD), העברת מיקרוסקופיה אלקטרונים אלקטרונים (TEM), ו- in-situSynchrotron X-ray diffraction - משמשים כעת לפקח על שינויים מיקרו-אורליים אלה בזמן אמת במהלך ניסויים גיבוש בקנה מידה מעבדה. תובנות אלה עוזרות לחדד מודלים של תהליכים ובחירת פרמטרים ליצירת תעשייתי.

תכונות מכניות משופרות להקמה של פעולות

האטרקציה העיקרית של חומרים nanostructured להרכיב היא שיפור בו-זמנית של תכונות מרובות כי הם לעתים קרובות בלעדית הדדית חומרים קונבנציונליים. להלן הם שיפורים חשובים הנכס עם רלוונטיות ישירה להרכיב:

כוח ועוצמה

עלייה של כוח ספוג של 200-500% יחסית לעמיתים בעלי ערך משותף.ליצור, זה אומר שסעיפים דקים יכולים לתמוך באותם עומסים, המאפשרים עיצוב קל משקל.בבבפיסול עמוק, כוח גבוה יותר מאפשר ירידה עובי גיליון תוך שמירה על שלמות מבנית.

Superplasticity

מתכות בנויות לעתים קרובות להציג אורגנוזה על-פלסטיק בטמפרטורות נמוכות יותר ושיעורי זנים גבוהים יותר מאשר ⁇ סופרפלסט קונבנציונלית.לדוגמה, nanocrystalline Al-Mg ⁇ s יכול להשיג מהירויות מעל 500% ב 10 -2 s-1 ו 200 מעלות צלזיוס - תנאים עם מחזורים מתואמת להרכיב תעשייתי.זה פותח את הדלת ליצירת superplastic מורכבת של גיאוגרפיות מורכבות ללא מחזורים ארוך בדרך כלל עם תהליך זה.

שיפור שומן ולבוש התנגדות

יצירת כלים ומת ניסיון טעינה מחזורית ולבוש abrasive. nanostructured פלדה כלי ו carbide מורכב להראות שיפור חיי עייפות ללבוש התנגדות בשל מבנה המיקרו דק שלהם.לדוגמה, nanostructured WC-Co מלטed carbides להפגין קשיחות גבוהה יותר קשיחות וקשידות שבר, להאריך את החיים למות בצורות גבוהות של ייצור.

התנגדות קורוזיה

במערכות ⁇ מסוימות, nanostructuring יכול לשפר את התנהגות המעבר על ידי הגדלת מספר דגנים, המשמשות אתרי מועדף עבור היווצרות סרט פסיבי.זה רלוונטי במיוחד עבור היווצרות של שתלים ביו-רפואיים או רכיבי אווירוspace שבו ההתנגדות קורוזיה היא קריטית.

תהליכים ספציפיים למינוף חומרים ננו-מבנים

Sheet Metal Forming

גליונות אלומיניום ומגנזיום ממובנות משמשים יותר ויותר בלוחות גוף הרכב ועורי אוויר.שילוב של כוח גבוה וכושר מדידה נאותה מאפשר ירידה.עם זאת, שיעור העבודה מופחתת במתכות ננוקליות יכול להוביל לצוואר מוקדם ביצירת דיאגרמות הגבלת.

חדירה ו-Forging

כמה טכניקות עיוות פלסטי כמו ECAP משולבים לעתים קרובות מבשר ל extrusion. ECAP-מעבדים של אל 6061, כאשר extruded, לייצר פרופילים עם כמעט nanostructure אחיד וכוח רבנים העליון.ליצור של ⁇ טיטניום nanostructured (למשל, Ti-6Al-4V) עבור שתלים אורתודוודיים להראות חיים משופרים ועייפות.

מיקרו-forming

ככל שגדלי הרכיב מתכווץ, היחס של גרגרי פני השטח לדגנים פנימיים עולה, וחומרים פוליקליים קונבנציונליים מציגים אפקטים בגודל חזק.ננו מתכות בנויות, עם גודל דגנים דק שלהם, להתנהג בצורה הומוגנית יותר במימדן.זה חיוני עבור מיקרו-פין, מיקרו-גילים, ומיקרו-springs המשמשים באלקטרוניקה ומכשירים רפואיים.

המונחים: sheet Forming

Single-point incremental להרכיב (SPIF) כופתים מקומיים, מצטברים של גליונות ננו-מבנים להראות יעילות טובה יותר ב- SPIF בהשוואה לבולציה קונבנציונלית כי העיוות האיטי והמקומי מדכא את הכשל המוקדם. מחקר על ⁇ אלומיניום ננוקריסטלליין מראה כי SPIF יכול לייצר גיאומטריה מורכבת עם הפצה אחידה.

יישומים תעשייתיים ומחקרי מקרים

חללי תעופה

בואינג ו-Airbus העריכו את ⁇ אלומיניום-ליתיום של ננודור עבור לוחות מתפתלים. ⁇ אלה, המיוצרים באמצעות ECAP וגלגול הבא, להשיג רמות כוח דומות סיבים פחמן חיזקו פלסטיק, אך עם מחזוריות ויתרונות מוליכות תרמיים.היווצרות לוחות מורכבים באמצעות ננו-אל-לי מוכחת בקנה מידה פיילוט, עם חיסכון של 15-20% מעל סגסוגת אל-חברתית.

רכב

יצרני רכב כולל טויוטה ו- General Motors חקרו פלדה גבוהה סטרינגית (HSS) וסגסוגת אלומיניום עבור מבני התרסקות.היכולת משופרת של ספיגת אנרגיה של מתכות nanostructured - בשל הלחץ הגבוה שלהם מתחת לטעינה דינמי - מאפשר רכיבי מד דק יותר ללא להתפשר על ההתרסקות. Stamping ניסויים של ננוקריסטל TWIP (סטיד מפלסטיקה מוגברת) מופחתת קפיצה לאחור וירידה דיוק.

מכשירים רפואיים

ננונונו טיטניום (למשל, Ti-Nb-Ta-Zr ⁇ s) מעובד על ידי HPT משמשים שתלים שיניים וכלובים היתוך השדרה.מבנה דגנים אולטרה-פין מקדם דבקות תאים ועצמות העצם rowth.

מגזר האנרגיה

בשמן וגז, nanostructured ניקל-בסיס superalloys נוצרים לתוך רכיבי כלי מטה כי חייב לעמוד קורוזיה אגרסיבי עומס מכני גבוה. השילוב של גבולות דגנים nanostructured ו משקעים intermetal אופטימיזציה מניב חומרים עם התנגדות יוצאת דופן sulfide סדקים.לעבור וטבעת של ⁇ אלה כבר אופטימיזציה כדי לשמור על המבנה nanoscale.

אתגרים במימוש

למרות היתרונות המוכחים, אימוץ תעשייתי נרחב של חומרים ננו-מבנים ביצירת פרצופים מספר מכשולים:

• (FLT:0)Scale-Up ועלויות:FLT:1) מספר שיטות הפלפורציה הפלסטי נשאר מוכווני, עם פרודוקטיביות מוגבלת. אלקטרודהפוזיציה איטי עבור חלקים עבים. Efforts לפתח תהליכים SPD רציף - כגון ECAP-Conform או גבוה לחץ גבוה מכווץ - הם צוברים מתח, אך דורשים השקעה משמעותית.
• (FLT:0Microstructural Stability:FLT:1 Forming לעתים קרובות כרוך בטמפרטורות גבוהות ושפע של פיזור עיוותים מרובים, אשר יכול לגרום צמיחה דגנים. Alloy עיצוב לשלב סוכני סיכה גבול דגנים (למשל, ננומטרי oxide או פיזור חנק) הוא אסטרטגיה רדופה על ידי חוקרים ב FLT:2 National Institute of Standards and TechnologyFalalalalals: 3, ומעבדות אחרות.
• (FLT:0) תהליכי תהליך תהליך Windows:FLT:1, שיעורי הזן האופטימלי, טמפרטורות, משטרי סיכה עבור חומרים nanostructured שונה ממקבילים קונבנציונליים. Off-the-shelf להרכיב תוכנות סימולציה לעתים קרובות חסר מודלים חומריים מדויקים להתנהגות ננוקריסטלליין, הדורשת כיבוד מותאם אישית.
• (FLT:0) ג'וינג ואסיפה: FLT:1 מרכיבים ממונונים לעתים קרובות צריך להיות מוטבע או מבריך לחלקים אחרים. היתוך ריתוך יכול לשבש את מבנה הדגנים הננומטרי באזור המושפע החום, המוביל להשפלה של המדינה המאוחדת כמו חיכוך השקוע העדיפה, אך להוסיף מורכבות תהליך.

כיוונים עתידיים וטכנולוגיות מתפתחות

העשור הבא צפוי לראות כמה התקדמות אשר מרחיבה את הכדאיות של חומרים ננו-מבנים ביצירת:

ייצור תוספת + טופס היברידיות

שילוב של קונסולת אבקה nanostructured עם ייצור תוספים יכול ליצור ליד-net-shape preforms כי הם לאחר מכן להשלים באמצעות יצירת.לדוגמה, אבקת לייזר היתוך של אבקת ננו-מבנה Ti-6Al-4V אבקת ואחריו עיצוב דלקת חריפה וסופרפלסטיבית חם מאפשר תכונות פנימיות מורכבות תוך השגת גודל דגנים בסדר במרכיב הסופי.

שיטות SPD

חידושים כגון ECAP מתמשך ועומס גבוה במהירות גבוהה נועדו להפחית את זמני מחזור משעות עד דקות. חוקרים ב FLT:0SPD מעבדהFLT:1 הוכיחו את שיעורי עיבוד ECAP עד 10 מטרים לדקה עבור חוטי אלומיניום, מה שהופך את הטכנולוגיה קיימא לייצור המוני של ניזונים ממובנים.

למידה ממוחשבת עבור אופטימיזציה של תהליכים

בהתחשב באינטראקציות המורכבות בין הפרמטרים לעיבוד, מיקרו-מבנה וכושר, מודלים של למידת מכונה מפותחים כדי לחזות תנאים אופטימליים ליצירת מידע על מנת לאימון ננוינטדט, בדיקות מיקרו-נטנסיביות, ויצרו סימולציה יכולים להאיץ את זיהוי של חלונות יציבים.

חומרי nanostructured

מושג עתידני כרוך בהטמעת חלקיקים או חלקיקים דמויי צורה בתוך מריצה ננו-מחדשת. במהלך יצירת, מיקרו-קracks אשר יוזמים יכולים להיות מתוקנים על ידי שינויים בשלבים מקומיים או דיפוזיה. בעוד עדיין בשלב המחקר, זה יכול להאריך באופן דרמטי את כלי ואת חיי הרכיב ביצירת תובעניים.

סטנדרטים ובקרה איכותית

עבור חומרים ננו-מבנים להיות מקובלים בתעשיות גיבוש הזרם המרכזי, אפיון אמין ופרוטוקולים אבטחת איכות חייב להיות הוקם. תקנים כגון ISO ו ASTM מפתחים הנחיות למדידת גודל דגנים במכות אולטרה סגולות, כמו גם שיטות לקביעת תכונות מכניות בשיעורי מתח גבוהים.לדוגמה, FLT:0AS E56 סטנדרטיFLTQ מתייחס לקביעת כוח רצון של תשואות נזילות כגון בדיקות זמן ורידוד, כמו בדיקות מורכבות.

יתרונות סביבתיים וקיימות

חומרים ננו-מבנים תורמים לקיימות באמצעות הקלה – צמצום טביעת הרגל של כלי רכב וכלי טיס במהלך שלב השימוש שלהם. יתר על כן, מסלולי עיבוד ננו-מבנים רבים הם בלתי יעילים יותר, משום שהם נמנעים מצעדי הגלגול החמים והחום הנדרשים לזיקוק דגנים קונבנציונליים.מחקרים של הערכת מחזור חיים מראים כי עיבוד של תוצאות אלומיניום בחיסכון באנרגיה נטו של 20–30% על פני המרכיב המלא, כאשר המשקל הם בעלי ערך מוסף עבור מבנים מתקדמים, כמו גם כן, נחשב גם לרכיב, כמו גם לפירוק חומרים מסגסוגת עתידיים, כמו גם למחזור, כמו גם למחזור, כמו גם למחזור של מערכות.

מסקנה

חומרים ננודור כבר לא סקרנות מעבדה - הם משנים באופן פעיל יישומים להרכיב על פני השטח, רכב, בריאות, אנרגיה מגזרים. השילוב הייחודי של כוח אולטרה גבוה, צורה על-פלסטיק, והתנגדות ללבוש משופרת מספקת ערך משכנע.עם זאת, יישום מוצלח דורש שיקול זהיר של מסלולי עיבוד, מיקרו-מבנה, ויצר פרמטרים של תהליך המותאמים למשטר nanoscaleable, טכניקות למידה מתקדמות יותר, ייצור חזק יותר, ייצור חומרים מתקדמים יותר, ייצור, ייצור חזק יותר, ייצור חומרים מתקדמים יותר, ייצור, ייצור חומרים מתקדמים יותר, ייצור, ייצור חומרים מתקדמים יותר, ייצור, ייצור חומרים מתקדמים יותר, ייצור, ייצור, ייצור, ייצור חזק יותר, ייצור חומרים מתקדמים יותר, ייצור חומרים מתקדמים יותר, ייצור חומרים מתקדמים יותר, ייצור, ייצור, ייצור, ייצור, ייצור חזק יותר, ייצור, ייצור, ייצור חזק יותר, ייצור חומרים מתקדמים יותר, ייצור חומרים מתקדמים יותר, ייצור חומרים מתקדמים יותר, ייצור חומרים מתקדמים יותר, ייצור חומרים מתקדמים יותר, ייצור, ייצור, ייצור חומרים מתקדמים יותר, ייצור חומרים מתקדמים יותר, ייצור חומרים מתקדמים יותר, ייצור חומרים מתקדמים יותר, ייצור חומרים מתקדמים יותר, ייצור יעיל יותר, ייצור חומרים מתקדמים יותר, ייצור חומרים מתקדמים יותר, ייצור חומרים מתקדמים יותר, ייצור, יהיה מסוגל, טכניקות מורכבות יותר, ייצור חומרים מתקדמים יותר, ייצור חומרים