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혼돈에 의해 강화 된 새로운 초 경질 재료는 강철을 함께 휘젓습니다.

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국방부 프로젝트는 초고 경도, 고온 응용 분야에 맞춤화 된 새로운 종류의 재료를위한 레시피를 설계하는 AI 재료 도구를 만들 것입니다.

듀크 대학의 자율 재료 설계 센터 (Center for Autonomous Materials Design)의 연구자들이 이끄는 전국적인 협력은 거의 마모없이 두 개의 강철 조각을 문자 그대로 저어 줄 수있을만큼 저렴한 재료를 합성하기 위해 노력하고 있습니다.

국방부의 MURI (Multidisciplinary University Research Initiative) 대회를 통해 7.5 년간 XNUMX 만 달러의 보조금을 지원받은이 팀은 맞춤형 속성을 가진 유사한 재료의 주문형 설계가 가능한 AI 재료 도구 모음을 개발할 것입니다. 광범위한 응용 프로그램.

소위 "고 엔트로피"물질의 부류는 기존 물질의 질서 정연한 원자 구조에만 의존하지 않고 원자의 혼돈 된 혼합물로부터 향상된 안정성을 이끌어냅니다. 2018 년에 탄화물로이 접근 방식을 처음으로 시연 한 후 연구원들은 이제까지 만들어진 가장 단단한 재료를 생산하기 위해 불규칙한 자체 조직 구조에 붕소화물을 추가 할 것입니다.

MURI 프로젝트에는 Pennsylvania State University, North Carolina State University, Missouri University of Science and Technology 및 University at Buffalo의 연구원이 포함됩니다.

듀크의 기계 공학 및 재료 과학 교수이자 새로운 MURI 상을 수상한 스테파노 커타 롤로 (Stefano Curtarolo)는“이 현상이 언제 이러한 안정적이고 초 경질 재료를 생산할 것인지 알려주는 데 필요한 계산 기계를 이미 개발했습니다. 지난 XNUMX 년 동안. "이제 우리의 목표는 필요한 '조리'절차와 다양한 요구에 맞는 새로운 레시피 발견을 자동화 할 수있는 AI 재료 도구를 개발하는 것입니다."

높은 엔트로피 재료는 많은 응용 분야에 유용 할 수 있지만 국방부 목록에서 가장 중요한 우선 순위 중 하나는 마찰 교반 용접입니다. 1990 년대 초에 발명 된이 기술은 드릴 모양의 비트를 사용하여 두 개의 금속 조각을 녹이지 않고 결합합니다.

비트가 회전하면 금속을 가열하고 부드럽게하여 기계가 선을 따라 움직일 때 주변 재료가 소용돌이 치고 섞이게합니다. 어느 금속도 녹는 점까지 가열되지 않기 때문에 마찰 교반 용접은 결함이 거의없는 매우 강하고 내구성있는 접합부를 생성합니다. 이 기술은 광범위한 재료 및 여러 유형의 금속에 한 번에 사용할 수 있습니다.

그러나 그것은 강철로 어려움을 겪습니다.

마찰 교반 용접 팁이 두 강철 조각 사이의 성공적인 접합을 만들기 위해서는 너무 빨리 마모를 피하고 고온을 견딜 수있는 열 안정성, 용접을 오염시키지 않도록 화학적으로 불활성이며 충분히 저렴해야합니다. 대량 생산합니다. 다이아몬드는 작업하기에 충분히 단단하지만 공정 중에 탄소 원자를 방출하여 용접이 부서지기 쉽습니다. 현재 선택되는 재료 인 다결정 입방정 질화 붕소는 제조 비용에 비해 너무 빨리 마모됩니다.

Curtarolo는“적절한 재료가 강철과 관련된 대규모 프로젝트에서 마찰 교반 용접을 실행 가능한 선택으로 만들 수 있다면 선박 및 기타 방위 장비 건설에 혁명을 일으킬 수 있습니다. "그리고 우리는 작업에 완벽한 재료에 대한 아이디어를 가지고 있습니다."

Curtarolo와 그의 동료들이 염두에두고있는 물질은 탄소, 붕소, 질소 및 XNUMX 개의 다른 저렴한 금속 원소의 조합이며, 모두 혼돈 엔트로피에 의해 안정화됩니다.

학생들이 분자 구조에 대해 배울 때 3D 바둑판과 유사한 소금과 같은 결정이 표시됩니다. 이 재료는 원자가 직소 퍼즐 조각처럼 서로 맞 물리는 규칙적인 원자 결합을 통해 안정성과 강도를 얻습니다.

그러나 결정 구조의 불완전 성은 종종 재료에 강도를 더할 수 있습니다. 예를 들어, 균열이 분자 결합의 선을 따라 전파되기 시작하면 정렬되지 않은 구조 그룹이 균열을 멈출 수 있습니다. 완전한 양의 무질서한 고체 금속을 경화시키는 것은 어닐링이라는 가열 및 담금질 과정을 통해 이루어집니다.

높은 엔트로피 재료는이 아이디어를 다음 단계로 끌어 올립니다. 안정성을 위해 결정 구조와 결합에 의존하는 이러한 물질은 안정성을 높이기 위해 여러 길이의 무질서에 의존합니다. 야구 더미가 저절로 서 있지는 않지만 야구, 신발, 방망이, 모자 및 장갑 더미는 휴식을 취하는 야구 선수를 지원할 수 있습니다.

2018 년에 Duke의 기계 공학 및 재료 과학 조교수 인 Curtarolo, Cormac Toher와 그들의 팀은 극도로 단단하고 내열성이 입증 된 몇 가지 레시피를 만들 때이 접근 방식이 탄화물과 함께 작동 할 수 있음을 보여주었습니다. 그들은 또한 유사한 붕소 기반 재료를 생산하기 위해 노력해 왔으며 이미 업계 표준의 경도에 근접하고 있습니다. Curtarolo는 마찰 교반 용접 문제를 해결하기위한 핵심은 고 엔트로피 탄화물과 붕소화물의 맞 물리는 테트리스와 같은 미로에서이 둘을 결합하는 것이라고 Curtarolo는 믿습니다.

Curtarolo는“탄화물은 일반적으로 붕화물과 혼합되지 않지만 결합 입자를 형성 할 수 있다면 둘 다보다 더 단단한 것을 만들 수 있습니다. "그게 트릭입니다."

그러나 잠재적 인 재료의 긴 목록과 그것들을 요리 할 수있는 잠재적 인 방법의 똑같이 긴 목록으로 시행 착오를 통해 완벽한 조합을 발견하는 것은 의문의 여지가 없을 것입니다. 대신, 팀은 컴퓨터 모델링과 기계 학습으로 눈을 돌리고 있습니다.

Curtarolo의 팀은 이미 고 엔트로피 탄화물의 형성을 모델링하고 예측하는 방법을 알고 있으며 고 엔트로피 붕소화물을 알아내는 데 가까워지고 있습니다. 이에 대한 도움을 받기 위해 Curtarolo는 Missouri S & T의 저명한 세라믹 공학 교수이자 붕소화물 및 기타 고온 재료 전문가 인 William Fahrenholtz에게 문의하고 있습니다.

높은 엔트로피 붕소화물에 대한 더 확고한 처리를 통해 그룹은 잠재적 인 레시피에 대한 많은 양의 데이터를 생성하고이를 인공 지능을 개발할 전문 컴퓨터 및 이론 화학자 인 Buffalo 대학의 화학 교수 인 Eva Zurek에게 넘길 수 있습니다. 알고리즘을 사용하여 표적 혼합물에 더 빠르게 초점을 맞 춥니 다. 탄화물과 붕소화물의 서로 다른 특성에 의해 압축 및 장력 영역이 어떻게 영향을 받는지 조사하여 이러한 알고리즘에 추가하면 NC State의 재료 과학 및 공학과의 저명한 교수 인 Donald Brenner가 있습니다.

이들의 혼합물을 테스트하려면 원소 분말을 가져다가 며칠 동안 고압에서 수천도에서 가열 한 다음 천천히 식힐 수있는 특수 장비가 필요합니다. 이러한 구조의 형성을 감독하고 특성화하는 것은 펜 스테이트의 재료 과학 및 엔지니어링 교수 인 Jon-Paul Maria와 Douglas Wolfe가 담당하며, 후자는 Penn State 's Applied의 금속, 세라믹 및 코팅 처리 부서장이기도합니다. 연구실.

모든 것을 말하고 완료하면 Curtarolo와 그의 팀은 마찰 교반 용접 강이 가능한 초경량, 고 엔트로피, 초경 붕소화물을 생산할뿐만 아니라 다른 요구에 맞게 유사한 재료를 설계하는 시스템을 고안하기를 희망합니다. 게다가.

Curtarolo는“우리는 조각이 작동한다는 것을 알고 있습니다. “우리가 탄화물뿐만 아니라 엔트로피가 높은 붕화물을 가지게되면, 우리는 그것들을 함께 매우 단단한 샌드위치로 포장 할 수 있습니다. 살인자가 될 것입니다.”

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출처 : https://bioengineer.org/strengthened-by-chaos-new-super-hard-materials-will-stir-steel-together/

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