「材料ゲノム」を解明して航空宇宙設計を前進させる

先月、シドニー大学航空宇宙・機械・メカトロニクス工学部の研究者らは、先端鋼やカスタムシリコンなどの結晶材料内の原子関係を解明するための顕微鏡法を発見しました。

航空宇宙産業は、二酸化炭素排出量を削減し持続可能性を維持しながら、効率、性能、安全性を向上させるために常に努力しています。近年、いくつかの技術の進歩により、地球の大気圏内だけでなく大気圏外でも航空旅行の可能性が拡大しました。これには、通信用の高度な衛星技術、軽量コンポーネントの積層造形、排出量削減とコスト削減のための電気推進、より高速な移動のための超音速飛行、運用効率の向上のための人工知能と機械学習が含まれます。

航空宇宙産業は、非常に特殊な特性を持つ先進的な材料に焦点を当てています。通常、システムには、セラミックサーマルからカーボンファイバー、チタンに至るまで、さまざまな種類の材料が使用されており、これらはパフォーマンスを最適化するための無数の目的に使用されます。

この分野の研究は、多機能材料の開発を目的としています。これは、構造機能だけでなく、アクティブ冷却などの他の機能も提供できる材料を意味します。高度な航空宇宙コンセプトを実現するには、材料はこれまで以上に耐久性があり、軽量で、コスト効率が高くなければなりません。 

航空宇宙産業が進歩を続ける中、それをさらに前進させる最新の画期的なイノベーションを見てみましょう。

設計を前進させるための「マテリアルゲノム」を明らかにする

先月、シドニー大学の航空宇宙・機械・メカトロニクス工学部の研究者らは、先端鋼やカスタムシリコンなどの結晶材料内の原子関係を解明するための顕微鏡法を発見しました。

これは、研究者がこれらの材料の原子レベルの構造における微細な変化さえも検出できることを意味し、それらの特性と挙動の基本的な起源についての理解を深めます。この知識により、エレクトロニクス向けの高度な半導体や、航空宇宙分野向けのより軽量で強力な合金の開発が可能になります。

このために研究者らは、原子を三次元 (3D) で可視化する技術であるアトム プローブ トモグラフィー (APT) を使用して、短距離秩序 (SRO) の複雑さを解明しました。 SRO は、材料の構成要素がランダムな分布から逸脱する相対的な傾向を定量的に測定したものです。革新的な材料を作成するには、局所の原子環境を理解することが不可欠です。

SRO は、結晶内の原子スケールでの近傍関係の非ランダム性を詳細に定量化することで、「強度などの望ましい特性を達成するために特定の近傍配置を備え、原子ごとにカスタム設計された材料の広大な可能性」を開きます。 」と研究責任者であるシドニー大学の副学長代理（研究インフラ担当）であるサイモン・リンガー教授は述べた。

「マテリアルゲノム」とも呼ばれる SRO は、測定と定量化が困難でした。これは、原子の配列が非常に小さいスケールで発生するため、従来の顕微鏡技術では見ることができないからです。

そこで、研究者チームは、APT を使用してこれらの課題を克服する新しい手法を開発し、それが「材料科学における重要な進歩」となったと AMME の材料エンジニアであるリンガー氏は述べています。 

この研究の焦点は、ジェットエンジンや発電所など、高温強度が必要な状況での使用の可能性があるため、重点的に研究されている領域である高エントロピー合金 (HEA) です。

研究者らは、高度なデータ サイエンス技術を使用し、APT からのデータを利用して、SRO を観察および測定しました。その後、コバルト、クロム、ニッケルの高エントロピー合金の SRO が異なる熱処理の下でどのように変化するかを比較することができました。

上級博士研究員であるアンドリュー・ブリーン博士によると、

「（この研究は）そのような測定が有効である状況と無効である状況の正確な範囲を限定する感度分析を生み出しました。」

SRO を測定して理解することで、この研究は材料設計へのアプローチの変革にも役立ち、「原子レベルのアーキテクチャでの小さな変化が材料性能の大きな飛躍につながる可能性がある」ことを示すことができる、と博士研究員の Mengwei He 氏は述べています。航空宇宙・機械・メカトロニクス工学部

さらに、この研究は、顕微鏡レベルでの青写真を提供することにより、材料の挙動をコンピューターでシミュレーション、モデル化し、予測する研究者の能力を強化します。さらに、SRO が重要な材料特性を制御する将来の研究のテンプレートとしても機能します。 

極超音速飛行を可能にする革新的な素材

極超音速での持続飛行の達成には多くの関心が集まっていますが、技術的な課題はまだ残っています。これには、極度の熱の管理、性能を損なうことなく応力、極度の温度、酸化に耐えることができる材料の開発、高速および高度で効率的に動作できる推進システムの作成が含まれます。 

研究者らがこれらの問題の解決策を見つけようとしている中、広州大学材料科学工学部の科学者は今年初めに極超音速熱シールドの画期的な進歩を報告しました。

極超音速飛行のゲームチェンジャーとなる可能性のあるものにおいて、科学者たちは「並外れた熱安定性」と「超高圧縮強度」を提供する新素材、多孔質セラミックを開発しました。 

これはマルチスケール構造設計を使用して達成されており、科学者らはこれが初めて行われたと述べています。さらに、この高エントロピーセラミックスの素早い製造により、航空宇宙、化学工学、エネルギーの生産と輸送の分野でのより広範な探求への扉が開かれます。

研究者らは、セラミックスは「超高速高温合成技術」によって製造されたと述べた

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