Nanocomposite の製陶術 - Nanocomposite の製陶術は何ですか。

Vikas Tomar の航空学および宇宙航行学パデュー大学の学校教授
対応する著者: tomar@purdue.edu

過去の半世紀の製陶術に金属のために余りに厳しい高いローディングレート、高温、摩耗および化学攻撃の条件の下で重要な関心をので使用のための候補者材料ので構造材料引きました。 ただし、製陶術の固有のもろさは異なったアプリケーションの広い使用を防ぎました。

重要な科学的な努力は一流の先端の後ろの一流の表面をちょうど繋ぐひげまたはファイバーの結合によって微細構造の製陶術のより傷耐久性がある直通デザインを作ることの方に指示されました; ように一流の先端の後ろの一流の表面間の橋ちょうど機能する細長い穀物との微細構造の設計によって; 移動するためにそれをより曲がった経路作るひびを逸らす第 2 段階の粒子を組み込むことによって; そして経る二次段階を組み込むことによって圧力は一流の表面を一緒に強制する体膨張を誘導しました。 ただし、最近の進展の 1 つはずっと nanoscopic 長さのスケールに陶磁器の合成物の多重段階の分布です。 nanoscopic 機能の流行のために、そのような合成物は陶磁器の nanocomposites と言われます。

nanocomposite 材料の定義は 1 次元、二次元の、三次元および無定形材料のようなシステムの大きい変化を取囲むために個別に異なったコンポーネントから成っていておよびナノメーターのスケールで混合されるかなり広がりました。 nanocomposite の有機性/無機材料の汎用クラスは成長が著しい研究分野です。 材料の構造機能のサイズを減らすことは表面/インターフェイス原子の部分の顕著な増加の原因となります。

表面/インターフェイスエネルギーは本質的に固体の特性を制御します。 インターフェイスは材料の非同質性をもたらす方法を提供します。 この非同質性は合成物の熱および機械特性の重要な修正として機能します。 インターフェイス領域の高いパーセントと非常に合わせた形態の材料の選択的な混合は高められた特性が付いている材料の、原因となります。

nano 合成材料の特性は個々の親の特性にだけまた形態および界面特性によって決まります。 nanocomposites は単純構造上の特性の改善のためにさまざまなアプリケーションの使用を見つけます。 利点の少数はのような要約することができます:

  • 改善された機械特性の例えば強さ、係数および寸法安定性
  • ガス、水および炭化水素への減らされた透磁率
  • より高い熱安定性および熱ゆがみの温度
  • より高い炎の retardancy および減らされた排煙
  • より高い化学抵抗
  • よりスムーズな表面の出現
  • より高い電気伝導率

1400 の °C の温度でガスタービンエンジンで、 10000 h まで寿命および ~300 MPa の保たれた強さは僅かなクリープのレートとともに使用されるコンポーネントのために、仮定されました。 なお、高温で、材料は熱衝撃、酸化および臨界未満一流の成長に抗力が高い表わさなければなりません。 陶磁器の nanocomposites はそのような未来のアプリケーションのために非常に重要であるために示されていました。

酸化高温に (劣化のない >1500 °C) または抗できる高度のバルク陶磁器の複合材料はまたモーターエンジン、触媒作用の熱交換器、原子力発電所および化石燃料の変換の発電所で使用のほかの燃焼システムの構造部品のようなアプリケーションに、使用することができます。 これらの堅い、高温馬小屋、酸化抵抗力がある陶磁器の合成物およびコーティングは航空機および宇宙船のアプリケーションのためにまた需要があります。

合成物、炭化ケイ素/窒化珪素 (SiC/罪) の合成物のこのクラスの 1 つのそのような34物質的なシステムは高温酸化の条件の下でとてもよく行うために、示されていました。 そのような nanocomposites の興味はより大きい穀物の2 マトリックス内のナノメーターの範囲 (20-300 nm) の粒子を埋め込むことによって材料のひびの靭性そしてそして粒界の大きい改善を強さ両方の報告した Niihara の実験から開始しました。 強さおよびひびの靭性両方の 200% 年の改善、高温の強さのよりよい保留船舶、およびよりよいクリープの特性は観察されました。

多結晶性炭化ケイ素 (SiC) のそれのような高度の nanocomposite の微細構造は - 窒化珪素 (Si3N4) の nanocomposites、図 1、 50 nm の等級の (GB)粒界の厚さの多倍長スケール、 0.8 から 1.5 µm の等級の 200-300 nm および34 罪の結晶粒度の等級の SiC の粒度を含んでいます1。 従ってそのような合成物 (および錫罪、 SiC AlO、 SiC SiC、 Graphene/CNT+SiC34 および23目標とされた一組の物質的な特性のためのカーボン Fiber+SiC nanocomposites のような同じような他) の微細構造を設計することは非常に困難な課題です。 微細構造が多倍長スケールを含むので、 multiscale の分析の基材デザインはそのようなタスクのための適切なアプローチです。

図 1. SiCSi3N4 nanocomposite の実際の微細構造1

(1) 炭化物の理解パフォーマンスの Purdue の焦点の Multiphysics の実験室の陶磁器の nanocomposite 作業はおよび窒化物核アプリケーションを含む発電のサイクルで見つけられた極度な環境のための高温陶磁器の Nanocomposites を (2) 酸化物の陶磁器材料の Multiscale の模倣および性格描写および (3) 熱電発電のための材料の理解の熱伝導および熱問題基づかせていました。 および貢献主要な関心領域の記述は次の通りあります:

  • 低い熱伝導度の材料を開発する理解の熱伝導および熱問題3-5: この作業は熱電発電のための nanocomposites の操作の原子論のメカニズムの理解に低い熱伝導度の材料が開発できることそのような物焦点を合わせます。 分子動力学法を使用して明示分子シミュレーションは (MD) nanocomposites の熱伝導度を減らすのに形態の変化がどのように使用することができるか理解するために行われます。 私達は熱伝導の重要な減少を達成できるある特定の biomimetic 整理を見つけました。 私達はそのような材料を作り、テストすることの過程においてあります。
  • 炭化物および窒化物の理解パフォーマンスは核アプリケーションを含む極度な環境のための高温陶磁器の Nanocomposites を基づかせていました6-12: この研究活動は室温の理解のメカニズムおよびほぼ 70% の効率およびプラント放出の重要な減少の原因となる 1750 の K 以上温度で発電所操作を可能にすることができる高度の nanocomposite の陶磁器材料の高温操作に焦点を合わせます。 支流として、このプロジェクトはまた核アプリケーションの高温多機能材料、高温構造材料または核アプリケーションの熱センサーとして可能な使用のためのこれらの材料の熱特性に焦点を合わせます。
  • 酸化物の陶磁器材料の Multiscale の模倣および性格描写13-18: この作業の間の焦点は多機能 Al+FeO の nanocrystalline の合成物および高力 AlO/TiB の陶磁器の装甲合成物のような高度の23 複合材料の理解の multiscale の23加工熱の動作2 にありました。 MD を使用して Al+FeO の多機能の nanocomposites の原子論の変形の23 分析のこの研究は高度の陶磁器の合成の nanomaterials の原子論の変形の分析の領域の第 1 の 1 つです。 nanocrystalline Al+FeO の多機能の合成物のこの作業大規模 MD の23 シミュレーションでは、単一の結晶の FeO と単一の結晶の Al23 および FeO のさまざまな界面構成の単一の結晶の Al の、23 行われます。 AlO/23TiB の陶磁器の2 装甲の場合には合成物、私達はダイナミックなひびの量的な性格描写のために新しい凝集の (CFEM)有限要素法を開発し、使用しました。

上記の貢献は共同の multiscale 模倣材料のデザイン実験処理のアプローチに強く基づいています。 模倣、デザインおよび製造のハイライトの全面的な共同の研究のアプローチのスナップショットは次提供されます。

陶磁器の Nanocomposites の Multiscale の模倣: SiC 罪陶磁器の Nanocomposites の作業の34

CFEM および MD によって基づく技術の組合せに基づく私達の multiscale の分析は (ナノメーターおよびマイクロメートルの長さおよび時間目盛で) 高力および比較的小型 SiC の粒子が支配的な故障モードとして割れる粒界の罪のマトリックス34 の原因となる罪のマトリックスの34 応力集中のサイトとして機能することを明らかにしました。 CFEM の分析はまたマイクロサイズの罪のマトリックスで現在である nano サイズの SiC の粒子の重要な番号が原因で34 SiC の粒子が重要な機械強さの原因となるマイクロひびの航跡領域で不変に落ちることを明らかにしました。 見つけるこれは明らかにした MD の分析で GBs に沿って群がる粒子はかなりこれらの nanocomposites の強さを高めることを確認されました。 ある nanocomposite の形態がはっきりと SiC 罪インターフェイスを定義する3419、他の nanocomposite の形態にインターフェイスで C、 N、または Si 原子の拡散があります20

SiC 罪の nanocomposites34 の場合には、 MD の分析はまた重要と同時に第 2 段階の粒子が重点を置くレイザーに機能することを強さにかなり影響を与える単一の34 結晶の罪段階のマトリックスの場合には明らかにしました。 ただし、粒子の存在は bicrystalline または nanocrystalline の罪段階のマトリックスの機械強さに対する重要な34 効果をもたらしません。 SiC 罪の nanocomposite の構造の34 強さは粒界の厚さと温度間の (GB)特徴のない相関関係を示しました。

強さは C、 N、または Si 原子の拡散があることを厚い GBs は持っている構造のための温度の増加を用いる減少を示しました。 ただし、相当な GB の厚さ (C、 N、または Si 原子の拡散無し) 無しの構造のために、温度の SiC 罪の界面強さの粒子の群がること34 および増加が原因で、強さは温度の増加と改良しました。 図 2 は CFEM を使用して得られるそのような nanocomposites でひびの伝搬の分析のスナップショットを示します。

罪の nanocomposites の mesoscale の一流の伝搬そして損傷の伝搬の図 2.34 スナップショット

MD を使用して得られる図 3 表示スナップショット。 現在の研究活動はそのような画像の nanoscale CFEM の網を開発し、 MD および CFEM の技術の組合せを使用して障害の分析を行っている共作者が開発する陶磁器の nanocomposites の実験画像の取得に焦点を合わせます。

2 2 つの温度の SiC (粒子) の原子論の損傷および障害の伝搬の34 3. スナップショットおよび罪 (マトリックス) の nanocomposites。

基材デザインを計算する Petascale

nanoscale の原子論の分析は GB のような重大な機能の効果についての重要な情報を、インターフェイス、または小さい nanoscale (少数の ~ nm) のサンプルの機械変形の動作に対する三重の接続点、等与えることができます。 図 1. で示されているもののような物質的なサンプルの理解の微細構造の依存した変形の動作のための macroscale (>few の µm) の物質的なモデルを作り出すのに multiscale でそのような情報を模倣することが使用されています。

微細構造の特性の関係の適切な数学的モデルは体積分率、粒度および段階の構成のような主な材料の微細構造パラメータにひびの靭性、最終的な強さ、疲労寿命等のようなパフォーマンスを、関連付けることを割り当てます。 典型的な nanoscale テストサンプルが大いにより小さく、典型的な微細構造のいろいろな環境に服従するので (例えば図 1) は統計的不確実性に、 macroscale モデルの nanoscale 情報の結合服従します。

複雑な微細構造が目標とされた一組の特性のために設計されているべきならそのような不確実性が強く物質的なデザインフレームワークの内で正しく量を示され、組み込まれることは重要です。 私達は Notre Dame の大学で設計最適化フレームワークの多倍長スケールで物質的な動作の分析を組み込むことができる可変的な忠誠モデル管理21-24フレームワークの開発を (教授のグループとのジョンルノー共同) 開拓しました。

図 4 細部 multiscale の物質的なデザインのための petascale の複数の物理学モデル管理ツールのプロセスフロー。 、原子論を統合し、可変的な忠誠を使用して mesoscale が分析管理フレームワークを模倣するこの研究で発達したデザイン・ツールは petascale 機械で配置されて個々の複合材料段階の可能な異なった組合せの同時増加を用いる nanomaterials の開発費そして時間以内に重要な減少を望ましい物質的なパフォーマンスを実現する促進します。

モデルおよびスケールの21,22管理のほかのモデル管理フレームワークは、またうってつけ階層的なパラレリズムを制御するためにです。 自然な階層は MD および不確実性の模倣の CFEM そして MPI のための SGI によって混合されたプログラミングTM モデル SHMEM を使用して不確実性の下にデザイン内の CFEM 内の MD、です。 MD および不確実性の定量化は両方 (カーロの疑似Monte 統合によって) 従って 1000 台の HMC プロセッサの 10 の CFEM のグループの 1000 の不確実性の定量化のグループです exascale に近づく 10 台のプロセッサ 1000 台のプロセッサおよび7 CFEM 10 を使用できます。

図 4. 設計図の Petascale 物質的なデザインフレームワーク

モデルシステムの予備の物質的なデザイン分析は特性の最適の目標とされたセットのために制御されなければならない形態関連パラメータを理解するために行われました。 デザイン・ツールのアプリケーションは SiC 罪の nanocomposites、図 5. の連続的な (CFCCs)ファイバー陶磁器の合成34 モデルに焦点を合わせています。 第 2 段階は (円およびシリンダー) より高い弾性率およびより高いクリープ抵抗 (e) より低い降伏応力がありが、靭性を折る一次罪段階のそれより SiC のファイバー、34 です。 問題はシミュレーションテストは 2 次元の (第 2) または 3D (3D) モデルで動作するかどうかデザイン変数の番号がに左右される一組の外部温度 T のための最大強さおよびクリープ抵抗の最も適した CFCC を、設計することです。 nanocomposite の設計最適化問題で、第 2 モデルのために考慮されるべきデザイン変数はファイバーの直径 (d) および外部温度 (t) です。 そして 3D モデルのため考慮されるべきデザイン変数はファイバーの直径 (d)、ファイバー (l) の長さおよび外部温度 (t) です。 標準形の問題定義づけは下記のように与えられます:

図 5. は CFCC の nanocomposites のために高低の忠誠模倣します

図 6 はハイファイモデル (3D) および低い忠誠モデル (第 2) のためのデザイン変数の機能として強さおよびクリープの歪み速度のための正規化 (0-100) 機能値を説明します。 デザイン可変的な d が増加すると同時に図 6 は (残っている) CFCC の強さの増加およびクリープの歪み速度の対応する減少を示します。 同様にデザイン変数 d および l が増加すると同時にハイファイモデルのために、図 6 は (右の) CFCC の強さの増加およびクリープの歪み速度の対応する減少を示します。

図 6. (残っている) 第 2 低い忠誠モデルのためのデザイン可変的な幅高さ (d) の機能として 1500oC の強さおよびクリープの歪み速度。 (デザイン変数の幅高さ (d) および 3D ハイファイモデルのためのファイバー (l) の長さの機能として 1500°C の右の) 強さおよびクリープの歪み速度。

製造

この作業の間の焦点は機械および非機械の特性の目標とされたセットのための複雑な陶磁器の nanocomposites が重要なトライアル・アンド・エラーの時間およびお金をか無駄にしないで作り出すことができる共同の模倣快く処理フレームワークの形成にあります。 私達はワシントン州シアトルの大学で教授のグループと Rajendra K Bordia's 協力しています。 ポリマーによって得られる製陶術は (PDCs)陶磁器の nanocomposites の物質的なデザインによって予測される形態を作る魅力的なアプローチです。 最初 Niihara および彼の協力者はおよびそれから他高性能の nanoscale によって補強された合成物を作るのにこのアプローチを使用しました25-27

この領域の継続的研究は nanostructures の範囲の開発の原因となりました。 1 つの材料の特に興味深いクラスに主に無定形 SiO C nanodomains が nanoscale SiC および C の補強を含んでいることをあります。 処理、構成および nanostructure のより大きい制御を提供している間これらの材料に高温アプリケーションの広い範囲のための望ましい特性があります。 PDCs は preceramic ポリマーを pyrolyzing によって作り出され、が、非常に高温まで普通無定形でよいクリープおよび酸化抵抗のような非常に陰謀的な陶磁器そっくりの特性を、提供します28,29

一義的な特性のいくつかは nanodomains の in-situ 形成および微細構造の粒界の欠乏と関連付けられます。 (thermoset) 前駆物質の重合体の性質が原因で、材料のこの系列は合成物のためのファイバー、マトリックス、多孔性の構造およびコーティングとして容易に processable です30,31。 ほとんどは 3 人の主要なグループに調査された PDCs 分類することができます: (i) 炭化ケイ素 (SiC) の (ii) ケイ素の oxycarbides (SiOC) および (iii) ケイ素は浸炭窒化します (SiCN)。 SiOCs および SiCNs は SiO C システムのための図 7 で図式的に説明されるように SiO2 と SiC と 「自由な」34カーボンの追加レベルとの SiC と罪間のハイブリッド分子構成が特有な原因、それぞれです。

SiO C システムの段階の関係の図 7. 設計図

これらの材料の一義的な nanostructural 機能は制御された余分なカーボンが少数の nms の領域のサイズの graphene の層として分散することです。 制御の、および、統合された実験および原子論のシミュレーションのアプローチを使用してそのような nanostructural 機能の開発の理解は、私達の共同の研究の焦点です。

確認応答

私達の実験室の関連の研究活動は科学研究 (プログラム・マネージャの私達空気力のオフィスからサポートによって可能にされました: より完全なエネルギーの先生ジョアン)、私達部門、および私達各国用科学の基礎


参照

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、版権 AZoNano.com Vikas Tomar (パデュー大学) 教授

Date Added: Jan 31, 2010 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 01:31

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