형상기억합금 연구의 진전과 3차원 실험은 어떤 관계가 있나요?

형상 기억 합금은 초탄성, 형상 기억, 공 모양으로 부서졌다가 다시 "기억된" 원래 모양으로 돌아가는 작동 등 놀라운 특성으로 잘 알려져 있습니다. 그러나 이 첨단 소재는 비행 효율을 높이기 위해 항공기 구조의 모양을 변경하거나 우주에 통신 안테나 및 태양광 패널을 배치하는 등의 상업용 응용 분야에서는 아직 활용도가 낮습니다. 콜로라도 광산 학교(Colorado School of Mines)의 연구원들은 형상 기억 동작 중에 복잡한 내부 미세 구조가 어떻게 변화하는지 더 잘 이해하기 위해 노력하고 있으며, 이러한 첫 번째 실험 결과는 최근 3개의 주요 재료 과학 및 역학 저널인 Acta Crystallographica”, “Acta Mechanics and Physics”에 게재되었습니다. 고체” 및 “재료 편지”. 형상기억합금(SMA)은 70여년 전에 발견되었으며 그 약속으로 인해 미국에서 10,000개 이상의 특허, 전 세계적으로 20,000개 이상의 특허를 얻었습니다.

과학 대중화: 이 세 논문의 제1저자이자 현재 미네소타 대학의 박사후 연구원인 Ashley Bucsek 박사는 다음과 같이 말했습니다. 그러나 이는 기술적 영향과 일치하지 않습니다.—— 이 20,000 SMA 중 특허로 인해 상업적으로 실행 가능한 제품으로 실현된 제품은 제한되어 있으며 개발부터 구현까지 수십 년이 걸리는 다른 많은 첨단 소재의 상황도 유사합니다. 개발과 구현 사이의 이러한 격차가 발생하는 한 가지 이유는 SMA의 대부분의 현미경 메커니즘이 3차원적이고 평면을 벗어나며 내부 제약에 매우 제한되어 있기 때문에 연구자들은 실제로 전통적인 현미경 기술을 사용하여 표면만 긁는 것입니다. 이러한 격차를 해소하기 위해 Bucsek과 동료들은 뉴욕 북부 코넬 대학의 코넬 고에너지 싱크로트론(CHESS)에 위치한 오늘날 가장 강력한 3D 현미경 아래에 가장 널리 사용되고 이용 가능한 SMA인 니켈 티타늄을 배치했습니다. 기계적 테스트는 니켈-티타늄 시편에 대해 수행되었으며, 입자 또는 결정으로 응집되는 결정의 방향에 해당하는 색상을 사용하여 시편 내부의 미세 구조의 변화를 측정했습니다. 이미지: 콜로라도 광산 학교

구체적으로 그녀는 3차원 X선 회절 기술에 속하는 근거리 및 원거리 고에너지 회절 현미경(HEDM)을 사용하여 다음을 수행할 수 있었습니다. 재료 내부를 현미경으로 살펴보세요. 구조는 3D로 시각화되지만 반응은 실시간입니다. HEDM은 10년 넘게 국제 및 기타 싱크로트론 분야에서 개발되었지만, 낮은 대칭성 상 혼합물 및 큰 결정 크기 차이와 같은 특성을 가진 고급 재료 프로세스를 연구하기 위해 HEDM을 적용하는 것은 본질적으로 존재하지 않습니다. 따라서 세 가지 실험 모두 필요한 정보를 추출하기 위해 새로운 실험, 데이터 분석 및 데이터 시각화 기술의 개발이 필요했습니다. 많은 결과는 놀랍고 SMA 마이크로역학에서 수십 년 동안 논쟁이 있었던 영역을 드러냅니다. SMA에서는 일반적으로 대칭성이 높은 "오스테나이트" 상이 더 ​​높은 온도에서 안정적이지만, 충분한 응력이 가해지거나 온도가 낮아지면 대칭성이 낮은 "마르텐사이트" 상으로 상이 됩니다.

첫 번째 논문 "원거리 고에너지 회절 현미경을 이용한 응력 유도 마르텐사이트 미세구조 측정"은 마르텐사이트 구조 예측을 목표로 Acta Crystallographica 시리즈 A: Fundamentals and Progress에 게재되었습니다. . 구체적인 변경 사항. 이 접근법을 사용하여 SMA 내의 마르텐사이트 미세 구조는 최대 변형 작업 표준의 예측을 크게 위반하는 것으로 확인되었으며, 이는 SMA가 엔지니어링 등급의 미세 구조 특징 및 결함을 가질 수 있는 경우 널리 받아들여지는 최대 변형 작업을 수정해야 함을 시사합니다. 애플리케이션. 두 번째 실험에서는 재료가 결정 쌍정 재배열에 대한 손상을 입지 않고 큰 하중과 변형을 견딜 수 있는 가역적 변형 메커니즘인 하중 유발 쌍정 재배열 또는 마르텐사이트 재배향을 연구했습니다. 거시적 변형 밴드에서는 쌍둥이 재배열의 일련의 특정 미세 메커니즘이 미세 구조를 통해 전파될 때 발생합니다.

이 연구는 이러한 밴드 내의 변형 위치화가 최대 15도의 격자 굽힘을 초래하며 이는 탄성 변형, 전단 응력 해결 및 쌍둥이 재배열 극대화에 중요한 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. 이러한 발견은 미래의 연구자들이 새로운 다강성 기술에서 쌍둥이 재배열을 사용하는 데 지침이 될 것입니다. 고체 작동은 SMA의 가장 중요한 응용 분야 중 하나이며, 많은 나노 전자 기계 및 미세 전기 기계 시스템, 생체 의학, 능동 댐핑 및 항공 우주 작동 시스템에 적용됩니다. 최종 실험의 목표는 SMA의 작용 하에서 오스테나이트 결정립 내부에 특별한 고각 결정립계 현상이 발생하는 것입니다. 구동 과정에서 일정한 하중 하에서 SMA를 가열, 냉각 및 재가열함으로써 SMA는 오스테나이트에서 마르텐사이트로, 그리고 다시 오스테나이트로 상변태가 유도됩니다. 오스테나이트는 샘플이 재가열될 때 큰 회전을 겪게 되며 이는 작업 출력과 피로에 해로운 것으로 전자 현미경으로 관찰되었습니다.

그러나 전자현미경에 필요한 작은 샘플 크기로 인해 이러한 회전은 매우 일관성이 없는 것으로 관찰되었으며, 동일한 로딩 조건에서는 나타나지만 후속적으로 나타나지 않거나 여러 사이클 후에 나타나지만 나타나지 않는 경우가 있습니다. 수천 번의 사이클 후에 결과는 적당한 조건에서 이러한 입자의 회전이 발생하는 데 단 한 번의 사이클이 소요된다는 것을 보여줍니다. 그러나 스핀의 부피가 적고 분산이 불균일하기 때문에 스핀을 관찰하려면 부피가 필요합니다.

Bucksek의 연구는 NSF(National Science Foundation) 대학원 연구 펠로우십과 박사 지도교수이자 공동 저자인 Rawlinson 광업 및 기계 공학 부교수 Aaron Stebner의 2015 NSF CAREER Award의 지원을 받았습니다. 고성능 컴퓨터를 사용하여 데이터를 분석하는 데 필요한 추가 자금은 NSF XSEDE 프로젝트에서 나옵니다. 이 기사에 기록된 Baksek 박사의 논문 작업은 재료의 3D 구조를 연구하기 위해 3D 기술을 사용하는 것의 중요성을 보여줍니다.

그녀는 50년 넘게 가설과 논의를 거쳐온 메커니즘을 처음으로 관찰하고 이해할 수 있었다. 대부분의 기술과 마찬가지로 신소재 채택의 가장 큰 장벽은 미지의 것에 대한 두려움입니다. 이러한 이해는 입증되고 자격을 갖춘 재료 개발에 대한 우리의 자신감을 높여줌으로써 의심할 여지 없이 이 놀라운 재료의 더 넓은 수용과 적용으로 이어질 것입니다. 국립과학재단(National Science Foundation)은 또한 X선 현미경 측정을 위한 코넬 고에너지 싱크로트론 소스의 작동을 제공합니다.

과학자 Darren Pagan은 다음과 같이 말했습니다. "그녀의 논문 작업에서 Baksek 박사는 형상 기억 합금 시스템 연구에 HEDM 방법을 적용하는 새롭고 창의적인 방법을 개발했으며, 관련 데이터 처리 및 해석을 극복했습니다. 도전할 수 있는 능력은 사람들에게 마이크로 역학에 대한 새로운 통찰력을 제공했습니다. 형상기억합금 변형!