Juli 30, 2015
Bron: ASM International
Uit berekeningen blijkt dat een materiaal gemaakt met precies de juiste hoeveelheden hafnium, stikstof en koolstof een smeltpunt zou hebben van meer dan 4400 K (7460°F). Dat is ongeveer tweederde van de temperatuur aan het oppervlak van de zon en 200 K hoger dan het hoogste smeltpunt dat ooit experimenteel is gemeten.
De experimentele recordhouder is een stof gemaakt van de elementen hafnium, tantaal, en koolstof (Hf-Ta-C). Maar deze nieuwe berekeningen suggereren dat een optimale samenstelling van hafnium, stikstof en koolstof – HfN0,38C0,51 – een veelbelovende kandidaat is om een nieuw record te vestigen. De volgende stap, waar de onderzoekers nu mee bezig zijn, is het synthetiseren van materiaal en het bevestigen van de bevindingen in het lab.
“Het voordeel van beginnen met de computationele benadering is dat we heel goedkoop veel verschillende combinaties kunnen uitproberen en degenen kunnen vinden die het waard zijn om in het lab mee te experimenteren,” zegt Axel van de Walle, universitair hoofddocent techniek aan Brown University. “Anders zouden we gewoon in het duister tasten. Nu weten we dat we iets hebben dat het proberen waard is.”
De onderzoekers gebruikten een computertechniek die smeltpunten afleidt door fysische processen op atomair niveau te simuleren, volgens de wet van de kwantummechanica. De techniek kijkt naar de dynamiek van het smelten zoals die plaatsvindt op nanoschaal, in blokken van ongeveer 100 atomen. Deze methode is efficiënter dan de traditionele methoden, maar vergt nog steeds veel rekenkracht vanwege het grote aantal potentiële verbindingen dat moet worden getest. Voor het werk werd gebruik gemaakt van het XSEDE-computernetwerk van de National Science Foundation en het krachtige computercluster “Oscar” van Brown.
Het team analyseerde het Hf-Ta-C-materiaal waarvan het smeltpunt al experimenteel was vastgesteld. De simulatie was in staat om enkele factoren op te helderen die bijdragen aan de opmerkelijke warmtetolerantie van het materiaal.
Het werk toont aan dat Hf-Ta-C een hoge fusiewarmte (de energie die vrijkomt of wordt geabsorbeerd wanneer het overgaat van vast naar vloeibaar) combineerde met een klein verschil tussen de entropieën (wanorde) van de vaste en vloeibare fasen. “Wat iets doet smelten is de entropie die wordt gewonnen in het proces van faseovergang,” legt van de Walle uit. “Dus als de entropie van de vaste stof al erg hoog is, zal dat de vaste stof stabiliseren en het smeltpunt verhogen.”
De onderzoekers hebben deze bevindingen vervolgens gebruikt om te zoeken naar verbindingen die deze eigenschappen kunnen maximaliseren. Zij ontdekten dat een verbinding met hafnium, stikstof en koolstof een even hoge smeltwarmte zou hebben, maar een kleiner verschil tussen de entropie van de vaste stof en die van de vloeistof. Toen zij het smeltpunt berekenden met behulp van hun computermethode, bleek dit 200 K hoger te liggen dan het experimentele record.
De groep werkt nu samen met het lab van Alexandra Navrotsky van de University of California, Davis, om de verbinding te synthetiseren en de smeltpuntexperimenten uit te voeren. Het lab van Navrotksy is uitgerust voor dergelijke experimenten bij hoge temperaturen.
Potentiële toepassingen?
Het werk zou uiteindelijk kunnen wijzen in de richting van nieuwe materialen met hoge prestaties voor een verscheidenheid aan toepassingen, van beplating voor gasturbines tot hitteschilden in hogesnelheidsvliegtuigen. Maar of de HfN0.38C0.51-verbinding zelf een bruikbaar materiaal zal zijn, is niet duidelijk, zegt Van de Walle.
“Het smeltpunt is niet de enige eigenschap die belangrijk is,” zegt hij. “Je moet ook rekening houden met mechanische eigenschappen, oxidatiebestendigheid en allerlei andere eigenschappen. Dus als je met die dingen rekening houdt, zou je er misschien andere dingen mee kunnen mengen die het smeltpunt zouden kunnen verlagen. Maar omdat je al zo hoog begint, heb je meer speelruimte om andere eigenschappen aan te passen. Dus ik denk dat dit mensen een idee geeft van wat er mogelijk is.”
Het werk laat ook de kracht zien van deze relatief nieuwe rekentechniek, aldus Van de Walle. De laatste jaren is de belangstelling voor het gebruik van berekeningen om de materiaaleigenschappen van een groot aantal kandidaat-verbindingen te onderzoeken toegenomen, maar veel van dat werk is gericht op eigenschappen die veel gemakkelijker te berekenen zijn dan het smeltpunt. “Het smeltpunt is een heel moeilijk te voorspellen probleem vergeleken met wat er tot nu toe is gedaan,” zegt Van de Walle. “
De financiering kwam van het U.S. Office of Naval Research en Brown University via het gebruik van de faciliteiten van zijn Center for Computation and Visualization. De Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE), die in deze studie werd gebruikt, wordt gesteund door de National Science Foundation.
Onderwerpsclassificaties
Materiaaleigenschappen en -prestaties
Materiaaleigenschappen en -prestaties | Thermische eigenschappen
Materiaaltesten en -evaluatie | Computational Materials Engineering
Materiaaltesten en -evaluatie | Materiaalselectie