Erschließung des „Materialgenoms', um das Luft- und Raumfahrtdesign voranzutreiben

Letzten Monat entdeckten Forscher der School of Aerospace, Mechanical, and Mechatronic Engineering der University of Sydney eine Mikroskopiemethode zur Aufklärung atomarer Beziehungen in kristallinen Materialien wie fortschrittlichen Stählen und kundenspezifischem Silizium.

Die Luft- und Raumfahrtindustrie ist ständig bestrebt, Effizienz, Leistung und Sicherheit zu verbessern und gleichzeitig den CO2-Ausstoß zu reduzieren und die Nachhaltigkeit aufrechtzuerhalten. In den letzten Jahren haben mehrere technologische Fortschritte die Möglichkeiten des Flugverkehrs sowohl innerhalb als auch außerhalb der Erdatmosphäre erweitert. Dazu gehören fortschrittliche Satellitentechnologie für die Kommunikation, additive Fertigung für Leichtbaukomponenten, elektrische Antriebe für reduzierte Emissionen und geringere Kosten, Überschallflüge für schnellere Reisen sowie künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen für eine verbesserte betriebliche Effizienz.

Luft- und Raumfahrt konzentriert sich auf fortschrittliche Materialien mit sehr spezifischen Eigenschaften. Systeme umfassen in der Regel verschiedene Arten von Materialien, von thermischer Keramik über Kohlefaser bis hin zu Titan, die für unzählige Zwecke zur Leistungsoptimierung eingesetzt werden.

Ziel der Forschung in diesem Bereich ist die Entwicklung multifunktionaler Materialien, also Materialien, die nicht nur strukturelle Funktionen haben, sondern auch andere Eigenschaften wie aktive Kühlung bieten können. Um fortschrittliche Luft- und Raumfahrtkonzepte zum Leben zu erwecken, müssen Materialien langlebiger, leichter und kostengünstiger sein als je zuvor. 

Während die Luft- und Raumfahrtindustrie weiterhin Fortschritte macht, werfen wir einen Blick auf die neuesten bahnbrechenden Innovationen, die sie noch weiter voranbringen werden.

Enthüllung des „Materialgenoms“ zur Weiterentwicklung des Designs

Letzten Monat entdeckten Forscher der School of Aerospace, Mechanical, and Mechatronic Engineering der University of Sydney eine Mikroskopiemethode zur Aufklärung atomarer Beziehungen in kristallinen Materialien wie fortschrittlichen Stählen und kundenspezifischem Silizium.

Das bedeutet, dass Forscher selbst kleinste Veränderungen in der Architektur dieser Materialien auf atomarer Ebene erkennen können, was unser Verständnis der grundlegenden Ursprünge ihrer Eigenschaften und ihres Verhaltens verbessert. Dieses Wissen wird die Entwicklung fortschrittlicher Halbleiter für die Elektronik und leichterer, festerer Legierungen für den Luft- und Raumfahrtsektor ermöglichen.

Zu diesem Zweck verwendeten die Forscher die Atomsondentomographie (APT), eine Technik, die Atome in drei Dimensionen (3D) visualisiert, um die Komplexität der Nahordnung (SRO) zu entschlüsseln. SRO ist ein quantitatives Maß für die relative Tendenz der Bestandteile eines Materials, von einer zufälligen Verteilung abzuweichen. Das Verständnis der lokalen atomaren Umgebung ist für die Entwicklung innovativer Materialien von entscheidender Bedeutung.

Durch die detaillierte Quantifizierung der Nichtzufälligkeit von Nachbarschaftsbeziehungen auf atomarer Ebene innerhalb des Kristalls eröffnet SRO „riesige Möglichkeiten für Materialien, die Atom für Atom individuell entworfen werden, mit spezifischen Nachbarschaftsanordnungen, um das gewünschte Ziel zu erreichen.“ Eigenschaften wie Stärke“, sagte der Studienleiter, Professor Simon Ringer, der Pro-Vizekanzler (Forschungsinfrastruktur) an der Universität Sydney.

Manchmal auch als „Materialgenom“ bezeichnet, war es eine Herausforderung, SRO zu messen und zu quantifizieren. Dies liegt daran, dass atomare Anordnungen in einem so kleinen Maßstab auftreten, dass man sie mit herkömmlichen Mikroskopietechniken nicht sehen kann.

Deshalb entwickelte das Forscherteam mithilfe von APT eine neue Methode, die diese Herausforderungen bewältigt und es zu „einem bedeutenden Durchbruch in der Materialwissenschaft“ macht, sagte Ringer, Materialingenieur bei AMME. 

Der Schwerpunkt der Studie lag auf Hochentropielegierungen (HEAs), einem stark erforschten Bereich aufgrund ihres Potenzials für den Einsatz in Situationen, die Hochtemperaturfestigkeit erfordern, einschließlich Flugzeugtriebwerken und Kraftwerken.

Mit Hilfe fortschrittlicher datenwissenschaftlicher Techniken und auf der Grundlage von APT-Daten beobachteten und maßen die Forscher den SRO. Anschließend konnten sie vergleichen, wie sich der SRO in einer hochentropischen Legierung aus Kobalt, Chrom und Nickel unter verschiedenen Wärmebehandlungen verändert.

Laut Dr. Andrew Breen, einem leitenden Postdoktoranden:

„(Die Studie hat eine) Sensitivitätsanalyse erstellt, die den genauen Bereich der Umstände abgrenzt, unter denen solche Messungen gültig sind und unter denen sie nicht gültig sind.“

Durch die Messung und das Verständnis von SRO könnte diese Studie auch dazu beitragen, Ansätze für das Materialdesign zu transformieren und zu zeigen, wie „kleine Änderungen in der Architektur auf atomarer Ebene zu riesigen Sprüngen in der Materialleistung führen können“, sagte Dr. Mengwei He, ein Postdoktorand wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Fakultät für Luft- und Raumfahrt, Maschinenbau und Mechatronik.

Darüber hinaus verbessert die Studie durch die Bereitstellung eines Entwurfs auf mikroskopischer Ebene die Fähigkeiten eines Forschers, das Materialverhalten rechnerisch zu simulieren, zu modellieren und dann vorherzusagen. Darüber hinaus kann es als Vorlage für zukünftige Studien dienen, in denen SRO kritische Materialeigenschaften kontrolliert. 

Ein revolutionäres Material zur Ermöglichung von Hyperschallflügen

Es besteht großes Interesse daran, einen Dauerflug mit Überschallgeschwindigkeit zu erreichen, es bleiben jedoch noch technische Herausforderungen. Dazu gehören der Umgang mit extremer Hitze, die Entwicklung von Materialien, die Belastungen, extremen Temperaturen und Oxidation ohne Leistungseinbußen standhalten, und die Entwicklung von Antriebssystemen, die bei hohen Geschwindigkeiten und Höhen effizient arbeiten können. 

Während Forscher versuchen, Lösungen für diese Probleme zu finden, meldeten Wissenschaftler der Guangzhou University School of Materials Science and Engineering Anfang des Jahres einen Durchbruch bei Hyperschall-Hitzeschilden.

Die Wissenschaftler entwickelten ein neues Material, poröse Keramik, das für den Hyperschallflug bahnbrechend sein könnte und „außergewöhnliche thermische Stabilität“ und „ultrahohe Druckfestigkeit“ bietet. 

Dies wurde mithilfe eines mehrskaligen Strukturentwurfs erreicht, der nach Aussage der Wissenschaftler zum ersten Mal durchgeführt wurde. Darüber hinaus öffnet die schnelle Herstellung dieser Hochentropie-Keramik die Tür für umfassendere Erkundungen in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Chemietechnik sowie Energieerzeugung und -übertragung.

Die Forscher sagten, die Keramik sei durch „eine ultraschnelle Hochtemperatur-Synthesetechnik“ hergestellt worden

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