اعتبار:
J. Wang/Nist
اندرو iams در حالی که از طریق میکروسکوپ الکترونی خود نگاه می کرد ، چیزی عجیب دید. او در حال بررسی كليه آلیاژ آلومینیوم جدید در مقیاس اتمی بود و به دنبال كليد قدرت آن بود ، وقتی متوجه شد كه اتمها با الگویي بسيار غیرمعمول مرتب شده اند. IAMS ، مهندس تحقیقات مواد ، گفت: “این زمانی است که من شروع به هیجان کردم.”
او نه تنها در این آلیاژ آلومینیومی شبه کریستال ها را پیدا کرد ، بلکه او و همکارانش در انستیتوی ملی استاندارد و فناوری (NIST) دریافتند که این شبهاتیک ها نیز آن را قوی تر می کنند. آنها منتشر کردند یافته های آنها در مجله آلیاژها و ترکیباتبشر
آلیاژ در شرایط شدید چاپ سه بعدی فلزی ، روشی جدید برای ساخت قطعات فلزی تشکیل شده است. درک این آلومینیوم در مقیاس اتمی ، یک دسته کاملاً جدید از قطعات چاپ شده سه بعدی مانند اجزای هواپیما، مبدلهای حرارتی و شاسی اتومبیل. همچنین این تحقیق را در مورد آلیاژهای آلومینیومی جدید که از شبه کریستال ها برای استحکام استفاده می کنند ، باز خواهد کرد.
Quasicrystals چیست؟
QuaSicrystals مانند کریستال های معمولی است اما با چند تفاوت اساسی.
کریستال سنتی هر جامد ساخته شده از اتم یا مولکول در الگوهای مکرر است. به عنوان مثال نمک جدول یک کریستال رایج است. اتمهای نمک برای ساخت مکعب ها وصل می شوند و آن مکعب های میکروسکوپی به مکعب های بزرگتر که به اندازه کافی بزرگ هستند برای دیدن با چشم غیر مسلح وصل می شوند.
اعتبار:
Elfinadesign/Shutterstock
فقط وجود دارد 230 راه ممکن برای ایجاد اتم ها الگوهای کریستالی تکرار. Quasicrystals در هیچ یک از آنها جای نمی گیرد. شکل منحصر به فرد آنها به آنها اجازه می دهد الگویی را تشکیل دهند که فضا را پر می کند ، اما هرگز تکرار نمی شود.
دن ششتمن ، دانشمند مواد در انستیتوی فناوری Technion-Israel ، در حالی که در NIST در Sabbatical در NIST بود در دهه 1980. بسیاری از دانشمندان در آن زمان فکر می کردند که تحقیقات وی ناقص است زیرا شکل های کریستالی جدیدی که وی پیدا کرده است طبق قوانین عادی برای کریستال ها امکان پذیر نیست. اما از طریق تحقیقات دقیق ، شختمن فراتر از این تردید ثابت کرد که این نوع جدید کریستال وجود داشته است ، و باعث انقلابی در علم کریستالوگرافی و برنده شدن در این کشور می شود جایزه نوبل شیمی در سال 2011بشر
اندرو ایامز با کار در همان ساختمان که Shechtman چندین دهه بعد کار کرد ، Quasicrystals خود را در آلومینیوم چاپی سه بعدی پیدا کرد.
چاپ سه بعدی فلزی چگونه کار می کند؟
چند روش مختلف برای فلزات چاپی سه بعدی وجود دارد ، اما متداول ترین آنها “همجوشی بستر پودر” نامیده می شود. مانند این کار می کند: پودر فلزی به طور مساوی در یک لایه نازک پخش می شود. سپس یک لیزر قدرتمند روی پودر حرکت می کند و آن را با هم ذوب می کند. پس از اتمام لایه اول ، لایه جدیدی از پودر در بالا پخش می شود و روند تکرار می شود. یک لایه در یک زمان ، لیزر پودر را به شکل جامد ذوب می کند.
بسته بندی چاپگر سه بعدی NIST
چاپ سه بعدی اشکال ایجاد می کند که با هر روش دیگری غیرممکن خواهد بود. به عنوان مثال ، در سال 2015 GE طراحی شده است نازل های سوخت برای موتورهای هواپیما که فقط با چاپ سه بعدی فلزی ساخته می شوند. نازل جدید پیشرفت بزرگی بود. شکل پیچیده آن به عنوان یک قسمت سبک وزن از چاپگر بیرون آمد. در مقابل ، نسخه قبلی باید از 20 قطعه جداگانه مونتاژ می شد و 25 ٪ سنگین تر بود. تا به امروز ، GE ده ها هزار نفر از این نازل های سوخت را چاپ کرده است ، نشان می دهد که چاپ سه بعدی فلزی می تواند از نظر تجاری موفق باشد.
یکی از محدودیت های چاپ سه بعدی فلزی این است که فقط با تعداد انگشت شماری از فلزات کار می کند. هوادار فیزیکدان NIST ژانگ ، یکی از نویسندگان این مقاله ، می گوید: “آلیاژهای آلومینیوم با استحکام بالا چاپ تقریباً غیرممکن است.” “آنها تمایل به ایجاد شکاف دارند ، که آنها را غیرقابل استفاده می کند.”
چرا چاپ آلومینیوم سخت است؟
ذوب آلومینیوم طبیعی در دمای حدود 700 درجه سانتیگراد. لیزرها در یک پرینتر سه بعدی باید درجه حرارت را بسیار بالا ببرند ، بسیار بالاتر: گذشته از نقطه جوش فلز ، 2،470 درجه سانتیگراد. این تعداد زیادی از خواص فلز را تغییر می دهد ، به ویژه از آنجا که آلومینیوم سریعتر از سایر فلزات خنک می شود.
در سال 2017 ، تیمی در آزمایشگاه های HRL ، مستقر در کالیفرنیا و UC سانتا باربارا کشف شده یک آلیاژ آلومینیومی با استحکام بالا که می تواند سه بعدی چاپ شود. آنها دریافتند که افزودن زیرکونیوم به پودر آلومینیوم مانع از ترک خوردگی قطعات سه بعدی شده و در نتیجه آلیاژ قوی می شود.
محققان NIST تصمیم گرفتند این آلیاژ جدید و تجاری 3D چاپ شده آلومینیوم-زرکونیوم را در مقیاس اتمی درک کنند. ژانگ گفت: “برای اعتماد به این فلز جدید به اندازه کافی برای استفاده در مؤلفه های مهم مانند قطعات هواپیمای نظامی ، ما نیاز به درک عمیقی از چگونگی قرار گرفتن اتم ها در کنار هم داریم.”
تیم NIST می خواست بداند چه چیزی این فلز را بسیار قوی کرده است. معلوم شد که بخشی از جواب ، شبه کریستال ها بود.
چگونه quasicrystals باعث تقویت آلومینیوم می شود؟
در فلزات ، کریستال های کامل ضعیف هستند. الگوهای منظم کریستال های کامل باعث می شود اتم ها از کنار یکدیگر عبور کنند. وقتی این اتفاق بیفتد ، فلزی خم می شود ، کشش می یابد یا می شکند. Quasicrystals الگوی منظم کریستال های آلومینیومی را شکسته و باعث ایجاد نقصی می شود که این فلز را قوی تر می کند.
اعتبار:
نیش
علم اندازه گیری در شناسایی یک شبه کریستال
وقتی IAMS از زاویه مناسب به کریستال ها نگاه کرد ، دید که آنها تقارن چرخشی پنج برابر دارند. این بدان معناست که پنج روش برای چرخش کریستال در اطراف یک محور وجود دارد تا به همان اندازه به نظر برسد.
IAMS گفت: “تقارن پنج برابر بسیار نادر است. این نشانه Telltale بود که ما ممکن است یک شبه کریستال داشته باشیم.” “اما ما تا زمانی که اندازه گیری ها را به درستی انجام ندادیم ، نمی توانستیم خودمان را متقاعد کنیم.” برای تأیید اینکه آنها یک شبه کریستال داشتند ، IAMS مجبور شد کریستال را با دقت در زیر میکروسکوپ بچرخاند و نشان دهد که این تقارن سه گانه و تقارن دو برابر از دو زاویه مختلف نیز داشت.
ژانگ می گوید: “اکنون که این یافته را داریم ، فکر می کنم رویکرد جدیدی برای طراحی آلیاژ باز خواهد کرد.” “ما نشان داده ایم که شبه کریستال ها می توانند آلومینیوم را قوی تر کنند. اکنون ممکن است مردم سعی کنند آنها را به عمد در آلیاژهای آینده بسازند.”
مقاله: AD IAMS ، JS Weaver ، Bm Lane ، La Giannuzzi ، F. Yi ، DL Laplant ، JH Martin و F. Zhang. ویژگی های ریزساختاری و تشکیل فاز قابل استفاده در آلیاژ آلومینیومی با استحکام بالا با استفاده از تولید افزودنی ساخته شده است. مجله آلیاژها و ترکیبات. منتشر شده به صورت آنلاین 7 آوریل 2025. doi: 10.1016/j. JALLCOM .2025.180281
Source link