Paduan logam

Paduan logam

I. Quantum-Mechanical Desain Paduan LogamII. Pertama-Prinsip Prediksi Pendek-Range OrdeIII. Computer Aided Pencarian untuk Bahan Baru menggunakan Mekanika QuantumIV. Linear Ekspansi di Objek geometrisV. Quantum-Mechanical Pencarian Advanced Li-ion baterai BahanI. Quantum-Mechanical Desain Paduan Logam
Logam paduan (misalnya, aluminium-dan magnesium-based) memiliki janji besar untuk mengurangi berat mobil dan truk ringan tanpa mengorbankan keselamatan. Namun, banyak ilmu dasar yang belum mengerti tentang misalnya Al-paduan, paduan desainer terkemuka sering hanya "menebak" di parameter yang akan digunakan dalam model mikrostruktur. Dengan demikian, peran data energik dan termodinamika dasar dalam paduan logam desain adalah penting menuju aplikasi mereka. Para peneliti yang bekerja di Grup Teori Padat NREL Negara telah mengembangkan teknik komputasi untuk menerapkan yang sangat akurat "state-of-the-art" pertama-prinsip (yaitu, benar-benar kuantum mekanik, parameter-gratis) komputasi pendekatan untuk memperoleh sifat termodinamika paduan. Perhitungan ini akan memainkan peran sentral dalam memprediksi kelas baru paduan logam yang modern, yang dirancang pada komputer ketimbang di laboratorium.
Pertama-prinsip kuantum mekanik perhitungan komputasi mahal 

dengan demikian, bahkan pada komputer tercepat saat ini, ukuran sistem yang dapat disimulasikan dengan pertama-prinsip pendekatan yang dibatasi oleh sumber daya komputasi, dan dengan demikian beberapa "scaling up" skala panjang perlu mengobati masalah paduan termodinamika. Salah satu metode untuk sampai skala yang saat ini digunakan dalam Teori Grup Padat NREL Negara dalam pemetaan akurat pertama-prinsip data ke functionals energi sederhana yang kemudian dapat digunakan pada skala panjang yang jauh lebih besar. Metode ini dikenal sebagai LEGO, atau "Ekspansi Linear Objek geometrik". Contoh dari jenis pendekatan dalam pengerasan presipitasi di Al-Cu dan paduan Al-Zn: Seperti kebanyakan logam murni, aluminium relatif lemah, dan karena itu perlu diperkuat melalui penambahan paduan. Dalam pengerasan presipitasi, umum di Al-paduan, sejumlah kecil elemen zat terlarut ditambahkan ke Al pada suhu tinggi, dan kemudian paduan didinginkan ke suhu melewati batas kelarutan dari elemen paduan. Dengan demikian, elemen terlarut mulai mengendap dari matriks Al, dan ini bertindak untuk pin presipitat dislokasi, dan karenanya meningkatkan kekuatan mekanik. Namun, tanpa pemahaman struktur dan stabilitas fase diendapkan, desainer paduan tidak dapat sepenuhnya memahami mekanisme penguatan. NREL peneliti memperkirakan stabilitas termodinamika dan atom skala struktur endapan Cu tertanam dalam matriks Al. Curah hujan ditentukan oleh kombinasi ketegangan dan energi antarmuka, dan contoh dari energi regangan dihitung untuk Cu tertanam di Al ditunjukkan pada Gambar. 1. Dengan menggunakan kedua saring dan antarmuka dalam simulasi Monte Carlo termodinamika, seseorang dapat memprediksi struktur atom skala lengkap endapan di Al. Exampleof Sebuah jenis hibrida "first-principles/scale up" pendekatan yang ditunjukkan pada Gambar. 2, yang menunjukkan struktur atom-skala suatu endapan Cu memerintahkan dalam paduan Al-Cu encer.
Dalam kasus Al-Zn, model kami memungkinkan untuk pertama kalinya prediksi ketergantungan ukuran dan suhu diamati presipitat dalam sistem paduan. Endapan ini hanya terdiri dari atom Zn. Contoh presipitat yang terlihat pada Gambar. 3: Dalam perjanjian dengan studi eksperimental, endapan perubahan dari hampir bulat ke bentuk yang lebih heksagonal / ellipsoid dengan menurunnya suhu dan meningkatkan ukuran.
Perhitungan termodinamika dilakukan untuk sistem lebih dari 200.000 atom, memperluas skala panjang mendekati 200 Å sekitar skala skala panjang yang pertama-prinsip perhitungan dengan faktor 20-50. Dengan perbaikan lebih lanjut, panjang skala 1000 Å yang terlihat, sehingga mengarah ke kemungkinan pemodelan mikrostruktur dengan pendekatan sepenuhnya atomistik.

II.Pertama-Prinsip Prediksi Pendek-Range Order di Paduan

 
Paduan padat pada suhu tinggi sering mengalami transisi fase ke pengaturan teratur dari atom penyusunnya. Pengaturan ini tidak acak, melainkan dapat menunjukkan beberapa derajat tatanan rentang pendek, yaitu, probabilitas untuk menemukan pasangan kelebihan tertentu dari atom relatif terhadap statistik acak. Untuk pertama kalinya, `` state-of-the-art''pertama-prinsip perhitungan termasuk dampak pemindahan atom telah diperpanjang untuk suhu tinggi, dan tatanan jarak pendek yang dihasilkan diprediksi. Urutan jarak pendek telah diprediksi untuk berbagai logam transisi dan paduan semikonduktor. Probabilitas pasangan lebih terkait dengan tatanan rentang pendek juga efek fisik terukur, dan kami membandingkan parameter-gratis kami perhitungan dengan pengukuran eksperimental, menemukan kesepakatan yang sangat baik. Perhitungan kami telah menyebabkan peningkatan pemahaman memesan properti di paduan ini.
Sistem paduan logam transisi Banyak saat ini sedang dianggap sebagai kelas baru bahan untuk aplikasi suhu tinggi. Dalam banyak kasus aplikasi ini telah dibatasi untuk saat ini, bagaimanapun, seringkali karena kurangnya pemahaman fundamental dari sifat material. Juga, dalam paduan semikonduktor banyak, derajat atau tingkat pemesanan bahkan tidak diketahui eksperimental. Perhitungan teoritis saat ini menunjukkan bahwa proses pemesanan dalam paduan dapat dimengerti dan bahkan meramalkan (tanpa referensi percobaan apapun) pada tingkat fundamental, mikroskopis. Prediksi teoritis yang terbukti sangat akurat dengan membandingkan dengan pengukuran eksperimental untuk paduan logam transisi, yang kelimpahan data eksperimen ada. Alat-alat calculational tidak spesifik untuk logam transisi, bagaimanapun, sehingga membuka pintu untuk perhitungan memesan dalam paduan semikonduktor teknologi yang sangat penting, di mana terdapat data eksperimen yang sangat sedikit atau tidak ada.

III. Computer-Aided Pencarian untuk Bahan Baru Menggunakan Quantum-MekanikaMungkin aspek yang paling menarik dari keberhasilan spektakuler yang semikonduktor berbasis teknologi tinggi telah dalam 50 tahun terakhir adalah jumlah kecil spesies (inti bahan) yang berbasis teknologi ini. Bahkan mempertimbangkan berbagai perangkat-semikonduktor transistor, chip komputer, laser solid state, detektor, sel surya,-memancarkan dioda cahaya, dll-hanya ada sekitar sepuluh semikonduktor dasar (semua milik jenis kristal yang sama!), Bahwa memungkinkan teknologi ini strategis. Ini adalah bahan dasar mencolok sempit, mengingat jumlah bahan inti yang memungkinkan teknologi lainnya: misalnya, 103-105 spesies yang digunakan dalam metalurgi, polimer teknologi, bioteknologi, dan industri obat farmasi. Jadi, sangatlah mungkin bahwa kita sedang kehilangan bahan terobosan penting untuk perangkat elektronik masa kini dan masa depan. Tapi bagaimana satu untuk mencari bahan baru yang stabil? Bahkan jika kita menganggap hanya dua jenis atom, ada adalah sebagai 2 sebanyak ** N struktur kristal yang mungkin terjadi pada kisi dengan situs N. Bahkan untuk N = 35, ini sama dengan jumlah bintang di galaksi kita! Fisikawan teoritis di National Renewable Energy Laboratory (NREL) di Golden, Colorado telah mengembangkan strategi baru yang memungkinkan seseorang, menggunakan komputer dengan cepat dan konsep dari Mekanika Quantum untuk mencari ruang astronomi kemungkinan untuk kombinasi "unggul" dari atom memproduksi novel, stabil struktur kristal. Ekspansi ini pendekatan-Linear Objek geometrik (LEGO)-didasarkan pada pengakuan bahwa bahkan struktur kristal yang kompleks dapat dilihat sebagai kumpulan objek geometris sederhana seperti pasang atom (dumbel), segitiga atom, dll Dengan menugaskan ke Obyek setiap Geometris nilai energi (kuantum mekanik), satu cepat dapat memindai ratusan ribu struktur calon (diperoleh dengan majelis yang berbeda Objek geometrik), mencari yang satu dengan energi terendah secara keseluruhan. Pendekatan LEGO telah diprediksi sejumlah senyawa intermetalik tak terduga sebelumnya, yang tidak terjawab oleh pendekatan konvensional trial-error dan-. Hal ini bisa merevolusi cara di mana bahan novel dicari. 

IV. "Linear Ekspansi di Objek geometris": Aplikasi terbaru dan Uang Muka

    Metode diterapkan untuk memprediksi, dari prinsip pertama, potensi elektrokimia baterai Li (C Wolverton dan A. Zunger, Phys Lett Rev.. 81, 606 (1998)).

    Sebelumnya memerintahkan fase-terduga dari Cu7Pt diperkirakan dan kemudian teramati dalam eksperimen
    Tiga struktur sebelumnya memerintahkan Pd-Pt diperkirakan: Pd3Pt (L12), PDPT (L11), dan PdPt3 (L12).

    Novel, fase sebelumnya tidak diketahui Rh-Pt diperkirakan: D1a, D022, X2, dan "40"
    Ukuran-dan suhu ketergantungan shpaes endapan diperkirakan Al-Zn: Berdasarkan studi rinci abou stabilitas fase koheren Al-Zn (S. Müller, L.-W. Wang, Alex Zunger, dan C. Wolverton, Phys Rev B. 60, 16448 (1999)), hubungan antara ukuran dan bentuk sebagai fungsi temperatur diperkirakan dalam perjanjian yang luar biasa dengan percobaan, dan menjelaskan dalam hal energetika. Kami menemukan bahwa meskipun presipitat diciptakan oleh proses panas inheren kinetik pengobatan, seluruh rangkaian ukuran vs realtion bentuknya dapat dijelaskan dari segi argumen termodinamika dan dipahami dalam hal energi regangan dan kimia (S. Müller, C. Wolverton, Lin-Wang Wang, dan Alex Zunger, Acta Mater.., di tekan).

    Waktu-ketergantungan dari distribusi bentuk dan ukuran endapan diperkirakan: Selain hubungan antara ukuran dan bentuk dari endapan individu, distribusi ukuran dan bentuk-sebagai fungsi dari waktu t dan T temperatur penuaan adalah penting untuk memahami di mana T dan t distribusi ukuran dan shpaes yang paling efisien dalam rangka untuk pin dislokasi. Untuk ini, "Ekspansi Linear Objek geometrik" Hamiltonian telah berhasil digunakan dalam program Monte Carlo kinetik. Ternyata bahwa pertumbuhan presipitat mengikuti aturan klasik Ostwald-masak.

    Suhu rendah keadaan dasar ditentukan untuk Cu-Zn: kuningan-adalah fase paling penting dari Cu-Zn. Kami menemukan bahwa pada suhu rendah sistem akan memesan ke struktur novel, yang disebut DO23 (S. Müller dan Alex Zunger, diserahkan ke Phys. Rev B).

    Tiga rendah suhu tanah-negara yang terdeteksi pada Ag-Pd: Kami mampu memprediksi tiga suhu rendah tanah-negara pada konsentrasi 25%, 50%, dan 75 Palladium% dan batas-batas yang sesuai fase koheren. Penemuan ini akan mengarah pada tambahan penting dalam diagram fase-ada Ag-Pd.
V. Quantum-mekanik mampu memprediksi bentuk endapan dalam paduan logam simulasi
 Kekerasan meningkat panas yang diobati paduan seperti Al-Zn adalah karena pembentukan endapan yang bertindak sebagai hambatan untuk gerak dislokasi. Pengetahuan tentang ukuran dan bentuk endapan sangat penting untuk memperkuat dan pemahaman tentang mekanisme dalam paduan logam. Untuk pertama kalinya, sekarang mungkin untuk secara teoritis memprediksi melalui kuantum mekanik "pertama-prinsip" simulasi ukuran dan eksperimen diamati suhu ketergantungan dari bentuk endapan di Al-Zn paduan menggunakan parameter model bebas, dikenal sebagai LEGO, atau "Linear Ekspansi di Objek geometrik" (ekspansi cluster). Gambar 1 menunjukkan evolusi dari bentuk endapan Zn dengan suhu, untuk sejumlah tertentu atom. Dalam perjanjian dengan studi eksperimental, kita menemukan bahwa presipitat perubahan dari hampir bulat ke bentuk yang lebih heksagonal dengan menurunnya suhu dan meningkatkan ukuran. Arah di mana presipitat meratakan selalu [111] arah. Sebuah ukuran kuantitatif untuk diamati "merata" adalah c / rasio, menunjukkan schmatically pada gambar kanan bawah Gambar. 1. Pada Gambar 2 kita menyajikan perbandingan kuantitatif antara simulasi kami (diberikan oleh garis) dan studi eksperimental yang berbeda (diberikan oleh simbol) untuk dua temperatur yang berbeda. Kesepakatan yang sangat baik menunjukkan kemampuan untuk memprediksi bentuk unprecendented mengendapkan dan ukuran bahkan tanpa membawa eksperimen kita.

Gambar. 1: Bentuk-ketergantungan koheren fcc-Zn presipitat sebagai fungsi dari unber atom Zn dan suhu di Al-Zn paduan.


Gambar. 2: Ukuran-bentuk relatoin Zn presipitat untuk dua suhu pada Gambar. 1. Sementara garis menunjukkan hasil dari perhitungan kami, titik adalah n = "center" class = "center">







Gambar. 3: Ukuran-bentuk relatoin Zn presipitat untuk dua suhu pada Gambar. 1. Sementara garis menunjukkan hasil dari perhitungan kami, titik-titik yang diambil dari studi eksperimen berbeda yang dilakukan pada T = 300 K dan T = 200 K.

Share on Google Plus

About Mukhamad Aziz

This is a short description in the author block about the author. You edit it by entering text in the "Biographical Info" field in the user admin panel.