Sebuah proyek baru akan mempelajari mekanisme dasar di balik sebuah metode yang menggunakan medan listrik untuk meningkatkan pengolahan keramik-sintering untuk memproduksi komponen untuk berbagai aplikasi militer dan komersial.
Komponen yang mahal untuk memproduksi karena mereka secara tradisional dibuat dari bubuk yang disinter - atau menyatu bersama-sama - sekitar 1.500 derajat Celcius selama beberapa jam.
Sekarang, para peneliti sedang bekerja untuk lebih memahami teknik baru yang dapat mengurangi biaya produksi sementara secara dramatis mempercepat proses. Tim akan mempelajari teknologi sintering lapangan yang dibantu (FAST), di mana menerapkan medan listrik meningkatkan sintering. Suatu bentuk CEPAT, disebut flash sintering, hanya membutuhkan waktu detik dan mengurangi suhu pengolahan sebesar 50 persen atau kurang, kira-kira 800 derajat Celcius.
"Ruang lingkup kami adalah untuk memahami mengapa dalam hitungan detik dan pada suhu rendah seperti Anda dapat memfasilitasi sintering, yang secara konvensional membutuhkan waktu yang lebih lama pada suhu yang lebih tinggi," kata Haiyan Wang, Basil S. Turner Profesor Teknik di Universitas Purdue sekolah Teknik Material. "Meskipun demonstrasi sukses flash sintering, itu masih kurang dipahami pada skala atom."
Memahami mekanisme di balik proses cepat bisa mempercepat pembangunan komersial pengolahan sintering keramik massal untuk berbagai aplikasi. Mekanisme yang sama juga berlaku untuk aplikasi lain di luar Flash sintering seperti penelitian ke baterai isi ulang lithium-ion dan sel bahan bakar, di mana ion bermuatan memainkan peran penting dalam fungsi keseluruhan.
Proyek ini didanai dengan $ 3 juta hibah empat tahun dari Kantor AS Naval Research dan dipimpin oleh Wang, bekerja dengan dua peneliti co-pokok di Purdue dan kolaborator di University of California, Davis; Universitas Rutgers; Colorado State University dan Laboratorium Penelitian Angkatan Laut.
"Kita perlu mengembangkan pemahaman ilmiah yang komprehensif bersama dengan alat pemodelan prediktif dan seperangkat aturan dan pedoman yang berkaitan dengan pembuatan bahan dibantu elektrik keramik," kata Wang.
anggota kunci tim adalah: Edwin García dan Xinghang Zhang, baik profesor di Purdue School of Material; Amiya Mukherjee, seorang profesor terkemuka ilmu dan teknik material di UC Davis; Thomas Tsakalakos, seorang profesor terkemuka ilmu dan teknik material di Rutgers; Troy Holland, asisten profesor teknik mesin di Colorado State University; dan Naval Research Laboratory fisikawan C. Stephen Hellberg, Noam Bernstein dan Steven Erwin. Proyek ini juga akan melibatkan beberapa mahasiswa doktoral dan rekan penelitian postdoctoral.
Penting untuk penelitian di Purdue adalah alat laboratorium disebut in-situ mikroskop elektron transmisi dan in-situ pemindaian mikroskop elektron. Teknik-teknik memungkinkan peneliti untuk "melihat" apa yang terjadi dalam struktur kristal dari bahan keramik pada skala atom saat itu sedang disinter. Struktur kristal terdiri dari segi "biji-bijian" 100 nanometer dengan diameter, yang terlalu kecil untuk dilihat dengan mikroskop cahaya konvensional. Para peneliti akan mengambil real-time video dari proses.
"Deskripsi makroskopik dari fenomena-flash-sintering terkait ada, tetapi mikro atau nano pemahaman skala masih kurang," kata Wang.
Meskipun keramik isolasi listrik, mereka dapat melakukan ion, atau atom bermuatan. Aliran ini ion cukup untuk sinter material pada suhu jauh lebih rendah dari biasanya diperlukan. Ion-ion "hop" dari situs pada struktur kisi kristal keramik. Jika atom oksigen yang hilang dari beberapa situs dalam kisi kristal, muatan positif dibuat di situs tersebut, menarik ion bermuatan negatif.
Para peneliti sedang mempelajari fenomena dalam disebut zirconia-ittria keramik dan dua keramik lain yang memiliki sejumlah besar "kekosongan oksigen" dalam mereka struktur kristal .
penelitian postdoctoral Purdue asosiasi Jie Jian mounts sampel keramik untuk penelitian menggunakan mikroskop elektron transmisi. Karya ini berhubungan dengan keramik manufaktur untuk berbagai penggunaan militer dan komersial. Kredit: Universitas Purdue image / Erin Easterling
Tim peneliti akan mengejar tiga tujuan: memahami interaksi antara medan listrik dan materi di bawah kondisi pengolahan; menyediakan teori dan perangkat lunak untuk sains dan teknik; dan mengembangkan aturan dan pedoman untuk insinyur bahan untuk digunakan dalam pengaturan manufaktur.
Selain itu, temuan dapat ditambang dan digunakan untuk menghasilkan model prediksi dengan metode "pembelajaran mesin", yang dapat membantu insinyur dan teknologi memilih bahan yang benar digunakan untuk tugas yang diberikan. Penelitian ini juga bisa menjelaskan fenomena yang disebut electromigration, yang dapat mempengaruhi kinerja perangkat elektronik.
Sumber : https://phys.org/news/2017-01-materials-probes-field-assisted-high-tech-ceramic.html