University of California San Diego의 재료 엔지니어는 고성능 재료, 특히 섭씨 4000도 이상에서 녹는 새로운 재료를 연구하기위한 새로운 연구 플랫폼 개발을 주도하고 있습니다. UC 샌디에이고 나노 엔지니어링 교수 인 케네스 베키오 (Kenneth Vecchio)는 DURIP (Defense University Research Instrumentation Program)를 통해 미국 해군 연구실 (ONR)에서 새로운 800,000 만 달러의 보조금을 지원하는 프로젝트를 이끌고 있습니다.

연구 플랫폼은 태양 표면 온도의 약 4000 % 인 80C 이상의 온도에서 녹는 새로운 물질을 연구하는 과제를 특별히 해결하기 위해 구축 될 것입니다.

이 플랫폼은 재료 과학의 한계를 뛰어 넘는 엔지니어 및 기타 연구자들을위한 국가적 자원이 될 것입니다. 기록적인 초고온에서 안정적으로 작동하는 새로운 고체 재료의 혜택을받을 수있는 많은 산업, 에너지, 우주 및 방위 응용 분야가 있습니다. 응용 분야에는 핵융합로 용 격납 벽, 음속 3000 배 이상을 이동하는 항공기의 앞쪽 가장자리, 새로운 산업 재료 가공 방법이 포함됩니다. (예를 들어 절삭 공구의 팁은 높은 가공 속도에서 XNUMXC 이상의 온도를 경험할 수 있습니다. 훨씬 더 높은 용융 온도를 가진 새로운 절삭 공구 재료는 더 빠른 제조를 가능하게합니다.)

초고온에 노출 될 때까지 녹지 않는 재료를 만들고 특성화하는 것은 여러 가지 문제를 야기합니다. 후보 물질을 만드는 것 외에도 연구원은 성능을 입증하기 위해 이러한 물질을 특성화 할 수 있어야합니다. 주요 지표 중 하나는 재료가 녹는 온도입니다.

4000C 주변의 온도에서 작업 할 때 간단한 것은 없습니다. 예를 들어, 용기를 담을 수있는 용기보다 더 높은 온도에서 녹는 새로운 재료의 융점을 어떻게 테스트합니까? 온도를 정확하게 제어하면서 4000C 범위의 온도로 샘플을 가열하는 방법은 무엇입니까? 또는 그러한 극한 조건의 샘플이 실제로 녹는시기를 정확히 어떻게 결정합니까?

Vecchio와 그의 팀은 자신이 설계 한 실험 플랫폼을 통해 해결할 계획이며 ONR DURIP 보조금의 새로운 자금으로 800 만 달러를 투자하여 구축 할 예정입니다.

4000C 이상의 온도에서 녹는 신소재

이미 초고온에서 녹는 재료의 녹는 점을 높이는 방법은 무엇입니까? 지난 XNUMX 년 동안 Vecchio는 ONR MURI (Multidisciplinary University Research Initiatives) 프로그램이 자금을 지원하는 UC 샌디에이고 프로젝트를 주도하여 이에 집중했습니다.

팀은이 어려운 작업에 새로운 접근 방식을 취하고 있습니다. 그들의 전략을 이해하려면 먼저 고체 물질이 액체로 녹는 온도를 결정하는 두 가지 물리적 현상이 있다는 것을 알아야합니다.

첫 번째 현상은 엔탈피입니다. 엔탈피는 물질을 고체 형태로 유지하는 것과 관련된 에너지를 설명합니다. 엔탈피가 높을수록 두 원자 사이의 결합이 더 강해지고 재료를 가열하여 결합을 끊어서 녹여야합니다.

두 번째 현상은 엔트로피입니다. 엔트로피는 무질서와 관련이 있으며 원자를 분리하는 에너지를 설명합니다.  

"고체에서 녹는 것은 엔트로피가 엔탈피를 초과 할만큼 충분히 높아질 때 발생합니다."라고 Vecchio는 말했습니다.

초고온 재료 개발은 일반적으로 엔탈피에 중점을 둡니다. 그러나 연구자들은 적어도 산소와 반응하지 않는 물질에 대해서는 엔탈피 접근법의 한계에 도달 한 것 같습니다. 장애물은 원자 사이의 결합 엔탈피가 대부분 고정되어 있기 때문입니다. 즉, 결합 엔탈피가 가장 높은 재료를 찾으면 엔탈피를 통해 해당 재료의 용융 온도를 높일 여지가 거의 없습니다.  

더 높은 온도에서 녹는 재료를 찾기 위해 UC San Diego Jacobs School of Engineering의 Vecchio와 그의 팀은 녹는 온도를 제어하는 ​​다른 현상 인 엔트로피로 전환했습니다.

대부분의 사람들은 엔트로피가 혼돈이나 무질서와 관련이 있다는 막연한 감각을 가지고 있습니다. 이 개념은 기록적인 녹는 점을 가진 재료를 개발하는이 새로운 접근 방식을 이해하는 데 유용 할 것입니다.

“액체는 매우 높은 수준의 엔트로피를 가지고 있습니다. 원자는 액체 속에서 모든 곳을 움직입니다. 그것은 엔트로피입니다. 자유 에너지 측면에서 고체를 액체처럼 보이게 할 수 있다면 고체에서 액체 상태로 변화하는 원동력이 줄어들 것입니다.”라고 Vecchio는 말했습니다.

액체처럼 단단한 "모양"을 만드는 것은 고체 일 때 재료의 고유 엔트로피를 증가시키는 것을 의미합니다. 그것이 Vecchio가하기로 한 것입니다. 그들의 전략은 많은 수의 다른 원자를 함께 혼합하여 새로운 고온 고체 물질의 장애를 증가시키는 것입니다.

"우리는 원자 혼합을 통해 무질서를 만듭니다."라고 Vecchio는 말했습니다.  

이 접근 방식을 취함으로써 연구원들은 고체 물질이 그 물질의 액체 형태의 원자 상태와 구조적으로 더 유사하게 보이도록 만들고 있습니다. 이것은 고체가 녹고 싶어하는 추진력을 감소시켜 녹는 온도를 증가시킬 수 있습니다.

예를 들어, 실리콘 카바이드 (SiC)는 2730C의 초고 융점을 가진 잘 알려진 재료입니다. 그러나 고온에서도 녹는 관련 재료가 있으면 유용합니다.

이전 연구에서 엔트로피에 초점을 맞춘 접근 방식에 따라 Vecchio와 그의 협력자들은 Si 원자를 동일한 양의 2019 가지 다른 금속으로 대체하여 용융 온도가 훨씬 더 높은 새로운 재료를 만들었습니다. 고 엔트로피 탄화물 또는보다 광범위하게 고 엔트로피 세라믹이라고 불리는이 새로운 재료는 XNUMX 년 Acta Materialia 저널에 발표 된 연구 기사에서 논의됩니다.

Vecchio와 그의 팀은 엔트로피의 또 다른 사용을 추구하고 있습니다. 용융 온도를 증가시키지 않는 다른 분자 및 원자 결합 변형을 추가하여 고체 물질 시스템에 더 많은 엔트로피를 추가 할 수 있습니다. 그러나 이들을 시스템에 충분히 추가하면 분자 요소와 결합 시나리오의 다양성이 엔트로피를 더욱 증가시켜 고체가 액체로 녹는 온도를 높일 수 있습니다.

연구원은 새로운 유용한 재료를 만들기 위해 이러한 종류의 재료 개발 접근 방식에 대한 용융 온도 및 기타 특성을 실험적으로 검증 할 수 있어야합니다. 이것이 새로운 플랫폼이 등장하는 곳입니다.

고온 -X- 선 회절 플랫폼

UC San Diego에 대한 ONR DURIP 보조금으로 자금을 지원하는 새로운 고온 -X 선 회절 플랫폼은 샘플 영역을 4500C까지 가열하는 동시에 온도를 매우 정확하게 측정하고 용융 시작을 감지하도록 설계되었습니다.

시스템 구성 요소에는 다음이 포함됩니다. 고휘도 X 선 회절 플랫폼이라고하는 고속 측정을 가능하게하는 플랫폼; 재료 샘플의 작은 영역을 국부적으로 가열하는 고출력 레이저; 열원에서 방출되는 빛의 파장을 측정하여 최대 4500C까지 온도를 기록하는 첨단 온도계 (고온계)가 있습니다.

Vecchio는“이 세 가지 도구의 통합은 엔지니어링 분야에서 매우 어려운 과제입니다.

용기가 담아 두어야 할 실험 샘플 이전에 용기가 녹는 '용기 문제'를 극복하기 위해 Vecchio는 샘플 재료를 자체 용기로 사용할 계획입니다.

"우리는 레이저를 사용하여 샘플 중간의 작은 원형 영역 만 가열 할 것입니다."라고 그는 말했습니다.

레이저에 노출되지 않은 샘플의 나머지 주변은 샘플이 고체에서 액체로 녹을 때 샘플을 보관하는 용기 역할을합니다.

Vecchio는“이 독특한 플랫폼을 전국의 연구자들과 공유 할 수 있기를 기대합니다. 사람들은 이러한 유형의 재료의 용융 온도를 측정하기위한 시스템을 고안하려고 노력해 왔지만 가장 큰 과학적 문제는 용융 시작 시점에서 샘플이 어떤 구조를 가지고 있는지 확인할 방법이 없다는 것입니다. 제 디자인은이 문제를 해결할 것입니다.”라고 Vecchio가 설명했습니다. “X 선 회절 플랫폼 내부에 용융 시스템을 구축함으로써 우리는 용융 시점에 존재하는 재료의 구조와 유형을 정확히 파악할 수 있으며 완전히 다른 용융을 가지고 있으므로 완전히 검증 할 수 있습니다. 고체 시료와 비교 한 X 선 회절 결과입니다.”

그는이 시설이 2022 년 말까지 가동 될 것으로 예상하고 있습니다.

자금 지원을받는 ONR DURIP 제안의 제목은 "엔트로피 안정화 초고온 재료의 열역학적 측정"입니다. 캘리포니아 대학교 샌디에이고 나노 엔지니어링 교수 인 케네스 베키오 (Kenneth Vecchio)는 보조금에 대한 수석 조사자 (PI)입니다. (ONR 보너스 번호 : N00014-20-1-2872).

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