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跟踪熔点以上4000摄氏度

通过新的授予,UC San Diego工程师正在开发更好的平台,用于研究融化在4000摄氏度以上的新材料

加州大学圣地亚哥的材料工程师领导开发了研究高性能材料的新研究平台,特别是融化在4000摄氏度以上的新材料(C)。UC San Diego Nanoengineering教授Kenneth Vecchio领导该项目,该项目由美国海军研究办公室(ONR)的新资金提供资金,通过国防大学研究仪表计划(DURIP)。

该研究平台将专门用于研究在超过4000摄氏度(约为太阳表面温度的80%)的温度下熔化的新材料。

这个平台将成为工程师和其他研究人员推动材料科学极限的国家资源。在许多工业、能源、航天和国防应用领域,新型固体材料都能在破纪录的超高温度下可靠地发挥作用。应用领域包括聚变反应堆的安全壳,以五倍或五倍音速飞行的飞行器的前缘,以及新的工业材料加工方法。(例如,在高速加工时,切削刀具的刀尖可以承受3000摄氏度以上的温度。熔化温度高得多的新型刀具材料将使制造速度更快。)

创造并表征在超高温度下不会融化的材料面临着多重挑战。除了创造候选材料之外,研究人员还需要能够描述这些材料的特性以展示其性能。其中一个关键指标是材料熔化的温度。

在4000C左右的温度下工作,没有什么是简单的。例如,如果新材料的熔点比任何容器的温度都高,你如何测试它们的熔点?如何在精确控制温度的同时将样品加热到4000C范围内?或者你如何确切地确定在这种极端条件下的样品何时会融化?

这些都是Vecchio和他的团队计划通过他设计的实验平台来解决的问题,并将通过ONR DURIP拨款的80万美元来建设。

在高于400℃的温度下熔化的新材料

如何增加在超高温下融化的材料的熔点?在过去的五年中,Vecchio领导了由INR多学科大学研究计划(Muri)计划资助的UC San Diego项目,专注于此。

该团队正在为这项艰巨的任务采取新方法。为了理解他们的策略,您首先需要知道存在两种物理现象,这在很大程度上决定了固体材料熔化成液体的温度。

第一个现象是焓。焓描述了与保持其固体形式的材料相关的能量。焓越高,两个原子之间的粘合越强,你必须通过破坏这些键来加热材料来熔化它。

第二个现象是熵。熵与无序有关,描述了驱使原子分离的能量。

维奇奥说:“当熵值高到超过焓值时,固体就会熔化。”

超高温材料发育通常集中在焓上。但研究人员似乎已经达到了焓方法的极限,至少对于与氧气没有反应的材料。路障是由于原子之间的粘合焓在很大程度上是固定的事实。这意味着一旦找到粘合最高焓的材料,就通过焓增加该材料的熔化温度很小。

在他们寻求融化在更高的气温的材料中,Vecchio和他的UC圣地亚哥雅各布的工程学院已经转向了控制熔化温度的其他现象:熵。

大多数人都有一个模糊的感觉,熵与混乱或混乱有关。这种概念将派上而好,以了解具有记录破坏熔化温度的新方法。

"A liquid has a very high level of entropy. Atoms are moving all around in a liquid, that’s entropy. If we can make a solid look like a liquid, in terms of its free energy, then there will be less driving force to change from the solid to the liquid state," said Vecchio.

像液体一样制作坚实的“外观”意味着当它是固体时,增加材料的固有熵。这就是Vecchio已经开始做的事情。它们的策略是通过将大量不同的原子混合在一起来增加新的高温固体材料中的疾病。

“我们通过原子混合来制造混乱,”维奇奥说。

通过采取这种方法,研究人员正在结构性地表现出与该材料液体形式的原子状态更类似的材料。这减少了固体的驱动力,以“想要”熔化,这可能导致其熔化的温度的增加。

例如,碳化硅(SiC)是具有2730℃的超高熔点的公知材料。但是在高温下融化的相关材料将是有用的。

Vecchio和他的合作者在之前的研究中采用了熵集中的方法,用等量的五种不同的金属取代了Si原子,这导致了熔化温度更高的新材料。2019年发表在《材料学报》(Acta Materialia)上的一篇研究文章对这些新材料进行了讨论,这些新材料被称为高熵碳化物,或更广泛的高熵陶瓷。

维奇奥和他的团队也在研究熵的另一种用途。更多的熵可以添加到固体材料系统,通过添加其他分子和原子键的变化,单独不会增加熔化温度。但当你在系统中加入足够多的分子时,分子元素的多样性和成键情况会进一步增加熵,从而提高固体融化为液体的温度。

研究人员必须能够通过实验验证熔化温度和其他性能的材料开发方法,以导致新的有用材料。这就是新平台进来的地方。

高温X射线衍射平台

新的高温x射线衍射平台是由ONR DURIP资助的加州大学圣地亚哥分校设计的,可以将样品区域加热到4500C,同时非常准确地测量其温度,并检测熔化的开始。

该系统的组成部分包括:高速测量平台称为高亮度x射线衍射平台;局部加热材料样品小区域的高功率激光器;以及一种高科技温度计(高温计),通过测量热源发出的光的波长来记录高达4500C的温度。

“这三种工具的整合是一个迷人的工程挑战,”Vecchio说。

为了克服'容器问题'其中容器在实验样品之前熔化它应该是持有的,Vecchio计划使用样品材料作为自己的容器。

“我们只会用激光加热样品中间的一个小圆形区域,”他说。

没有暴露在激光下的样品的其余周长将作为容器,当样品从固体融化为液体时,作为容器。

“我期待着能够与全国各地的研究人员分享这个独特的平台,”Vecchio说。“人们一直在尝试设计系统来测量这类材料的熔化温度,但他们最大的科学问题是,他们没有方法来验证样品在熔化开始时的结构。我的设计将解决这个问题,”Vecchio解释道。“通过建立我们融化系统内一个x射线衍射的平台,我们将能够正确了解物质的结构和类型存在的融化,融化,我们将能够完全验证,因为它有一个完全不同的x射线衍射结果相比,固体样品。”

他估计该设施将在2022年底延期和运行。

受资助的ONR DURIP提案题为“熵稳定超高温材料的热力学测量”。加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授Kenneth Vecchio是这项拨款的首席研究员。(ONR奖号:N00014-20-1-2872)。


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