共晶材料自组装成复合材料的事实使它们成为从高效能涡轮机叶片到焊料合金等许多现代技术的理想之选。


共晶材料包含具有不同熔化和固化温度的元素和化合物。伊利诺伊大学和密歇根大学的研究人员开发了一种模板技术,该技术可灌输更大的有序性,并在共晶材料中产生新的3D结构,以形成新型的高性能材料。相关研究结果发表在Nature。


Nature:新模板系统控制自组装复合材料的内部结构-贤集网


由自组装无机材料制成的复合材料因其独特的强度以及热,光和磁性能而受到重视。由于自组装可能难以控制,因此形成的结构可能高度无序,从而导致大规模生产期间的缺陷。


研究人员说,当材料混合在一起时,所形成的复合材料具有单一的熔化和冷冻温度,就像盐和水混合形成盐水时,其冻结温度低于单独的水或盐。当低共熔液体凝固时,各个组分分离,形成粘结结构。最常见的是分层形式。


具有单一熔点的复合材料在共晶材料加工中具有优势,一种液体开始固化,这种液体在固化时会自行组装。可以加快生产速度,并允许一次批量生产。但是自组装也因为不受控制的性质会形成缺陷


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保罗·布劳恩教授领导的一个团队开发了一种新的模板系统,以帮助控制特殊种类的无机复合材料的质量和独特性能。图片来源:Fred Zwicky


为了在实验室演示自助装材料的固化过程,研究小组构建了带有以六角形形状排列的小柱的模板,来控制包含氯化银和氯化钾(一种共晶材料,在冷却时会自然形成层)的熔体的凝固。


固化过程如果没有加以控制,系统形成的唯一微观结构是层,可以通过改变冷却速度来使层变厚或变薄,但是图案保持不变。通过添加一种模板,液体可以在周围固化。


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密西根大学工程师Katsuyo Thornton教授(左)和研究生Erik Hanson。来源:保罗·布劳恩


研究小组发现,随着氯化银和氯化钾在六边形模板周围熔化固化,柱子会阻碍层的形成,并产生具有一系列不同的正方形,三角形和蜂窝状微观结构的复合材料,即具体结构取决于模板上各个柱之间的距离。


这些模板和新形成的结构的重复性减少了形成缺陷的机会,新模板不仅形成新的微结构,还减少了所得复合材料的缺陷数量。


实验所用的材料是透明的,研究人员将探索新的微观结构如何影响多种共晶材料的物理性质。第一个方向可能是探索光学材料在光子晶体领域的巨大潜力。


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