나노결정 합금 및 나노 입자 크기 안정성

곡물 경계는 깁스 자유 에너지가 상대적으로 높습니다. 따라서, 나노 물질의 총 깁스 자유 에너지는 큰 양의 곡물 경계를 가지기 때문에 상대적으로 높다. 높은 깁스 자유 에너지는 특히 높은 온도에서 물질을 불안정하게 만듭니다. 온도를 증가시킴으로써 불안정한 곡물은 쉽게 자라며 재료는 기계적 특성(예: 강도, 연성 등)을 잃게 됩니다. 즉, 곡물 크기를 줄임으로써 전체 재료는 평형 상태를 훨씬 뛰어넘어 열역학적 특성이 변경되어 특히 높은 온도에서 곡물 안정성이 감소합니다. 즉, 각 재료는 열역학적으로 안정되어야 합니다. 기계 기술을 사용하여 일반 물질을 나노 물질로 변경하여 열역학적 특성을 변경합니다. 그것은 그들이 더 이상 안정적이지 않고 원래 상태로 돌아가는 것을 선호한다는 것을 의미합니다. 온도가 상승하면 쉽게 발생할 수 있습니다. 따라서 새로 개발된 나노 물질은 고온에서 안정화되어야 합니다.

입자 크기를 분석하기 위해 Scherrer 방정식(Equ. 1)을 X선 회절 데이터와 함께 사용할 수 있습니다. 열처리 후(각 온도에서) 샘플은 관련 피크를 얻기 위해 XRD 기계에 의해 분석됩니다.  Scherrer 방정식은 나노 곡물의 크기와 회절 패턴의 피크 확대와 관련이 있습니다.

D=K λ / (β 코스덕스) (1)

D가 나노그레인 크기인 경우, K는 형상인가(~1)이며, β 라디안에서 기악선을 빼낸 후 절반최대 강도(FWHM)로 확대되는 선이다.  λ는 X 선 파장이며 θ는 브래그 각도입니다.

나노 결정 재료에 대한 최근 연구에 따르면 합금 원소를 입자 경계로 분리하면 입자 크기 의 능력이 향상됩니다. Ni-P 시스템의 강력하게 분리된 합금에서부터 Ni-W에서 약하게 분리된 모든 범위의 분리는 열역학적 안정성을 개발할 수 있습니다.

이 연구에서는, 비평형 안정제 솔루트(Hafnium (Hf)는 높은 온도에서 곡물 경계로 분리될 때 깁스 자유 에너지가 감소하고 메타안정평 상태가 나노 결정 물질로 발생할 수 있도록 도입된다.

열역학적 입자 크기 안정성 메커니즘은 고체 용액으로부터 산소 제거에 의해 개선될 수 있다. 산소 제거는 재료의 산화물 입자 형성을 방지하여 곡물 경계로 분리할 수 있는 고체 용액에 더 많은 솔루트가 남아 있습니다. 곡물 경계에서 단정한 내용물의 양을 증가시킴으로써, 곡물 크기 안정성으로 이어지는 포화 값에 도달한다.

HfO2 산화물 형성에 대한 자유 에너지 감소는 Hf 곡물 경계 분리에 대한 자유 에너지 감소보다 큰 크기의 순서에 관한 것입니다. 매트릭스로부터 O를 제거하여(그리고 입자 경계로 의 극명 분리를 증가시킴으로써) 입자 경계 이동성은 높은 O 함량에 비해 감소한다.

명목상 산소 가성 비(OF) 나노결정성 Fe14Cr4Hf 합금은 고체 물질을 기계적으로 제출하여 장갑 상자에서 생산되었다. 이 합금은 최근 일반 솔루션 모델이 Hf가 높은 온도에서 Fe14Cr4Hf 합금에서 열역학적 입자 크기 안정화를 용이하게 할 것이라고 예측하기 때문에 선택되었습니다.

이 연구는 높은 산화물 형성 엔탈피를 가진 솔테/안정제가 있는 합금으로 제한됩니다. 그렇지 않으면 산소 제거는 곡물 크기 안정성에 큰 영향을 미치지 않을 수 있습니다.

도 3은 900°C에서 1시간 동안 공 분쇄된 OF-Fe14Cr4Hf용 XRD 데이터를 나타낸다. 약간의 피크 시프트와 함께 피크의 선명감이 있습니다. 어닐링 온도가 상승함에 따라 격자 균주의 완화때문입니다. 어닐링 온도가 상승하면 4개의 주요 BCC 봉우리 사이에 몇 가지 작은 봉우리가 드러나게 됩니다. 이들은 보조 단계의 형성을 나타낼 것입니다.
도 4a-c는 900°C에서 1시간 동안 아닐링한 OF-Fe14Cr4Hf용 TEM 이미지 및 회절 패턴을 나타낸다. 크기 범위의 나노 스케일 입자는 약 20nm까지 존재합니다.

그림 3: OF-Fe14Cr4Hf용 XRD 패턴이 900°C에서 1시간 동안 어닐링되었습니다.

그림 4: OF-Fe14Cr4Hf용 TEM 이미지 및 회절 패턴은 900°C에서 60분 동안 어닐링되었습니다.

이 실험은 명목상 산소가 없는 나노결정 물질의 나노 입자 크기 안정성이 상당한 양의 산소를 가진 합금과 비교하여 어떻게 향상될 수 있는지를 보여줍니다. 이 연구에서 OF 분말은 산소와 고체 용액 사이의 상호 작용을 최소화하기 위해 보호된 대기에서 합성되어 합금 원소의 분리를 입자 경계로 증가시키고 열역학적 입자 크기 안정성을 향상시킵니다. TEM 현미경은 곡물 경계와 나노 입자를 특성화하는 비용 효율적인 시간 절약및 강력한 도구로 소개되었습니다.

피로 강도와 크리프 저항은 항공기 수명에 직접적인 영향을 미칠 수 있는 항공기 부품에 필요한 주요 특성입니다. 항공기의 수명을 높이려면 피로/크리프 강도/저항성이 높은 재료를 사용하는 것이 매우 중요하며, 주로 곡물 크기 감소로 인해 달성 가능합니다. 10^-7m 미만의 순으로 곡물 크기가 있는 고온 안정 나노 물질은 기존 재료보다 3배 더 피로수명을 제공할 수 있다. 또한, 이 차세대 나노결정 재료는 더 강하고 상대적으로 높은 온도에서 작동할 수 있으며 항공기 속도 및 연료 효율이 크게 증가합니다.

고온 안정 나노 결정 재료는 우주 공예에도 완벽한 후보입니다. 로켓 엔진, 추진기 및 벡터링 노즐과 같은 우주 공예의 다양한 부품은 항공기에 비해 더 높은 온도에서 작동하고 있습니다.

민간 및 국방의 이중 응용 프로그램과 위성은 또한 고온 안정 나노 물질에 대한 합리적인 대상입니다. 위성에서 궤도를 바꾸기 위해 스러스터 로켓을 사용하셔야 하며, 높은 온도를 견딜 수 있는 나노 물질이 필요합니다. 기존의 재료에서 개발 된 보드 점화기는 신속하게 마모되어 효율성을 잃을 수 있지만 제안 된 나노 재료는 더 오래 지속됩니다.