Annual Review of Materials Research

▪ Tóm tắt Phương pháp giai đoạn gần đây đã nổi lên như một phương pháp tính toán mạnh mẽ để mô hình hóa và dự đoán sự phát triển cấu trúc hình thái và vi cấu trúc ở quy mô trung gian trong vật liệu. Nó mô tả một vi cấu trúc bằng cách sử dụng một bộ biến trường được bảo toàn và không được bảo toàn, có tính liên tục qua các vùng giao diện. Sự tiến hóa tạm thời và không gian của các biến trường được điều khiển bởi phương trình khuếch tán phi tuyến Cahn-Hilliard và phương trình thư giãn Allen-Cahn. Với thông tin nhiệt động lực học và động lực học cơ bản làm đầu vào, phương pháp giai đoạn có khả năng dự đoán sự phát triển của các hình thái tùy ý và vi cấu trúc phức tạp mà không cần theo dõi rõ ràng vị trí của các giao diện. Bài báo này đề cập một cách ngắn gọn những tiến bộ gần đây trong việc phát triển các mô hình giai đoạn cho các quá trình vật liệu khác nhau, bao gồm đông đặc, biến đổi pha cấu trúc trạng thái rắn, sự lớn lên và tinh thể hóa hạt, sự phát triển miền trong phim mỏng, hình thành cấu trúc bề mặt, vi cấu trúc dạng biến dạng, sự lan truyền vết rạn nứt và điện di.

Chúng tôi thảo luận trong bài tổng quan này về cách mà độ gồ ghề của một bề mặt rắn ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ của nó. Cụ thể, chúng tôi nhận thấy rằng cả góc tiếp xúc hiển nhiên và độ hồi phục góc tiếp xúc đều có thể bị ảnh hưởng đáng kể bởi sự hiện diện của độ gồ ghề. Nhờ sự phát triển của các phương pháp tinh vi để thiết lập các kết cấu vi mô hoặc nano có kiểm soát rất tốt trên một bề mặt rắn, những hiệu ứng này đang được khai thác để tạo ra những tính chất hấp thụ mới lạ, chẳng hạn như sự hình thành màng tự phát, siêu siêu khử nước, siêu siêu khử dầu, và trượt giao diện, mà không thể đạt được nếu không có độ gồ ghề.

▪ Tóm tắt  Bài báo thảo luận về các tham số cấu trúc và hóa học xác định sự hình thành và tính di động của các khuyết tật proton trong các oxit, đồng thời nhấn mạnh vai trò quan trọng của thể tích mol cao, các số lượng phối trí và đối xứng. Đối xứng cũng liên quan đến sự tương thích cấu trúc và hóa học của các chất dopant nhận. Các oxit dựa trên BaZrO₃ được pha Y được chứng minh là kết hợp giữa độ ổn định cao với độ dẫn proton cao, vượt qua độ dẫn của các vật liệu dẫn ion oxit tốt nhất ở nhiệt độ dưới khoảng 700°C. Các điện trở biên hạt không thuận lợi và độ giòn cao của gạch men đã được giảm bớt bằng cách hình thành các dung dịch rắn với một lượng nhỏ BaCeO₃, và một thử nghiệm ban đầu về pin nhiên liệu đã chứng minh rằng các điện phân dẫn proton dựa trên BaZrO₃ được pha Y cung cấp các lựa chọn thay thế cho các vật liệu tách trong pin nhiên liệu oxit rắn (SOFCs). Các vật liệu này có tiềm năng hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn so với các SOFC truyền thống, và sự xuất hiện của sự khuếch tán hóa học nước qua điện phân ở nhiệt độ hoạt động điển hình (T = 500–800°C) cho phép sử dụng metan khô làm nhiên liệu.

In Ảnh Phun Mực được coi là một công cụ sản xuất đa năng cho các ứng dụng trong chế tạo vật liệu ngoài vai trò truyền thống của nó trong đầu ra đồ họa và đánh dấu. Đặc điểm chung trong tất cả các ứng dụng này là việc dispenses (phân phối) và định vị chính xác khối lượng rất nhỏ của chất lỏng (1–100 picolit) trên một nền trước khi chuyển đổi thành dạng rắn. Việc áp dụng In Ảnh Phun Mực vào việc chế tạo cấu trúc cho các ứng dụng vật liệu kết cấu hoặc chức năng đòi hỏi phải hiểu cách các quá trình vật lý hoạt động trong quá trình in ảnh phun mực tương tác với các tính chất của các precursor chất lỏng được sử dụng. Ở đây, chúng tôi xem xét tình trạng hiện tại của việc hiểu biết về các cơ chế hình thành giọt và cách mà điều này định nghĩa các tính chất chất lỏng cần thiết cho một chất lỏng cụ thể có thể in được. Các tương tác giữa các giọt riêng lẻ và nền cũng như giữa các giọt liền kề là rất quan trọng trong việc xác định độ phân giải và độ chính xác của các đối tượng in. Độ phân giải của mẫu bị giới hạn bởi mức độ mà một giọt chất lỏng lan rộng trên một nền và cách mà sự lan rộng thay đổi khi các giọt liền kề chồng lấp lên nhau để hình thành các đặc điểm liên tục. Có ranh giới rõ ràng về chiều rộng của một đường liên tục in ấn, được xác định dựa trên các yếu tố vật liệu và quy trình. Các đặc điểm có độ phân giải tinh vi hơn có thể đạt được thông qua việc tạo mẫu và cấu trúc nền phù hợp trước khi in ấn, điều này là thiết yếu nếu các thiết bị bán dẫn polymer được chế tạo. Các góc tiếp xúc tiến và lùi thấp thúc đẩy độ ổn định của đường in nhưng cũng dễ bị phân tách chất tan hoặc “vết cà phê” khi khô.

▪ Tóm tắt  Bài báo này trình bày một cái nhìn tổng quan về phương pháp trường pha trong mô hình hóa quá trình đông đặc, kèm theo một số kết quả ví dụ. Bằng cách sử dụng biến trường pha và phương trình điều khiển tương ứng để mô tả trạng thái (rắn hoặc lỏng) trong một vật liệu phụ thuộc vào vị trí và thời gian, các phương trình khuếch tán cho nhiệt và dung dịch có thể được giải mà không cần theo dõi giao diện lỏng-rắn. Các vùng giao diện giữa lỏng và rắn chứa những biến đổi mềm mại nhưng lại rất khu biệt của biến trường pha. Phương pháp này đã được áp dụng cho nhiều vấn đề khác nhau, bao gồm sự phát triển dendrite trong vật liệu tinh khiết; sự phát triển dendrite, eutectic và peritectic trong hợp kim; và việc giữ lại dung dịch trong quá trình đông đặc nhanh.

Bài viết này tổng hợp dữ liệu đã được công bố về các tính chất cơ học của các vật liệu kim loại sản xuất bằng phương pháp cộng thêm. Các kỹ thuật sản xuất cộng thêm được sử dụng để tạo ra các mẫu trong bài báo này bao gồm nấu chảy bằng giường bột (ví dụ: EBM, SLM, DMLS) và nạp năng lượng có hướng (ví dụ: LENS, EBF³). Mặc dù hiện tại chỉ có một số lượng hạn chế các hệ thống hợp kim kim loại có sẵn cho sản xuất cộng thêm (ví dụ: Ti-6Al-4V, TiAl, thép không gỉ, Inconel 625/718, và Al-Si-10Mg), phần lớn thông tin về các tính chất cơ học đã được công bố tập trung vào Ti-6Al-4V. Tuy nhiên, các bảng tổng hợp các tính chất cơ học đã được công bố và/hoặc các số liệu chính cũng được bao gồm cho mỗi hợp kim được liệt kê ở trên, được phân loại theo kỹ thuật cộng thêm được sử dụng để tạo ra dữ liệu. Các giá trị đã được công bố cho các tính chất cơ học thu được từ độ cứng, kéo nén, độ bền gãy, sự phát triển rạn nứt mỏi, và mệt mỏi cao được bao gồm cho các điều kiện as-built, được xử lý nhiệt, và/hoặc HIP, khi có sẵn. Các ảnh hưởng của hướng thử nghiệm/hướng xây dựng đối với các tính chất, khi có sẵn, cũng được cung cấp, cùng với thảo luận về nguồn gốc tiềm năng (ví dụ: cấu trúc kết tinh, sự thay đổi vi cấu trúc, khuyết tật) của sự dị hướng trong các tính chất. Các khuyến nghị cho công việc bổ sung cũng được cung cấp.

▪ Tóm tắt  Các nanowire và nanotube bán dẫn thể hiện các đặc tính điện và quang học mới do cấu trúc một chiều độc đáo và khả năng ảnh hưởng của sự confinment lượng tử trong hai chiều. Với nhiều lựa chọn về thành phần và cấu trúc băng, những cấu trúc nan bán dẫn một chiều này được coi là các thành phần quan trọng trong một loạt các ứng dụng thiết bị ở quy mô nano. Để tận dụng tối đa những cấu trúc nan một chiều này, nghiên cứu hiện tại đã tập trung vào việc kiểm soát tổng hợp hợp lý các khối xây dựng nano quy mô một chiều, đặc trưng hóa các đặc tính mới và chế tạo thiết bị dựa trên các khối xây dựng nanowire, cùng với việc tích hợp các yếu tố nanowire vào các kiến trúc chức năng phức tạp. Những tiến bộ đáng kể đã được thực hiện trong vài năm ngắn ngủi. Bài tổng quan này làm nổi bật những tiến bộ gần đây trong lĩnh vực này, sử dụng công việc từ phòng thí nghiệm này làm minh họa. Hiểu biết về cơ chế tăng trưởng nanocrystal tổng quát phục vụ như nền tảng cho việc tổng hợp hợp lý các cấu trúc dị thể bán dẫn trong một chiều. Sự xuất hiện của những cấu trúc nan bán dẫn chất lượng cao này cho phép nghiên cứu có hệ thống về mối tương quan giữa cấu trúc và tính chất, đặc biệt là theo tính chất kích thước và độ chiều. Các đặc tính mới bao gồm việc phát las vi nang nanowire, vận chuyển phonon, độ ổn định bề mặt và cảm biến hóa học được khảo sát.

Các polyme tự lành và composite polyme gia cường bằng sợi có khả năng tự phục hồi khi bị hư hỏng bất kể lúc nào và ở đâu trên vật liệu. Hành vi vật liệu phi thường này được lấy cảm hứng từ các hệ sinh học, nơi mà khả năng tự lành là điều bình thường. Đến nay, đã có ba phương pháp lý thuyết về tự lành được trình bày: hệ thống tự lành dựa trên viên nang, hệ thống tự lành có mạch máu, và các polyme tự lành bên trong. Quá trình tự lành có thể là tự động—tự động mà không cần can thiệp của con người—hoặc có thể yêu cầu năng lượng hoặc áp suất bên ngoài. Tất cả các loại polyme, từ thermoset đến thermoplastic đến elastomer, đều có tiềm năng tự lành. Phần lớn các nghiên cứu tính đến thời điểm hiện tại tập trung vào việc khôi phục độ toàn vẹn cơ học sau khi xảy ra gãy tĩnh. Bài viết này cũng xem xét khả năng tự lành trong quá trình mỏi và phản ứng với hư hỏng do va chạm, thủng và ăn mòn. Các khái niệm được thể hiện bởi các polyme tự lành hiện tại cung cấp một hướng đi mới đến sản phẩm và bộ phận an toàn hơn, kéo dài tuổi thọ hơn, và chịu lỗi tốt hơn trên một phạm vi rộng các lĩnh vực công nghiệp, bao gồm sơn phủ, điện tử, giao thông vận tải và năng lượng.

Việc phát triển các vật liệu xây dựng mới, bền vững và giảm CO₂ là cần thiết nếu ngành công nghiệp xây dựng toàn cầu muốn giảm dấu chân môi trường của các hoạt động của mình, điều đặc biệt là từ việc sản xuất xi măng Portland. Một loại xi măng không phải Portland đang thu hút sự chú ý đặc biệt là dựa trên hóa học kiềm-aluminosilicat, bao gồm một lớp chất kết dính đã trở nên được biết đến như là địa polyme. Những vật liệu này cung cấp các tính chất kỹ thuật tương đương với xi măng Portland, nhưng với dấu chân CO₂ thấp hơn nhiều và với tiềm năng cho sự ưu việt về hiệu suất so với các loại xi măng truyền thống trong một số ứng dụng đặc thù. Bài đánh giá này thảo luận về tổng hợp các chất kết dính được kích hoạt kiềm từ xỉ lò cao, đất sét nung cháy (metakaolin), và tro bay, bao gồm phân tích các cơ chế phản ứng hóa học và sự phân bố pha chất kết dính kiểm soát các đặc tính trong giai đoạn đầu và khi cứng của những vật liệu này, đặc biệt là độ thiết lập ban đầu và độ bền lâu dài. Các triển vọng cho sự phát triển nghiên cứu trong tương lai cũng được khám phá.

Năng lượng phân hạch tiên tiến và năng lượng tổng hợp trong tương lai sẽ yêu cầu những hợp kim cấu trúc hiệu suất cao mới với các đặc tính vượt trội được duy trì trong điều kiện phục vụ lâu dài trong môi trường siêu khắc nghiệt, bao gồm tổn thương neutron gây ra tới 200 sự dịch chuyển nguyên tử mỗi nguyên tử và, đối với tổng hợp, 2000 appm He. Sau khi mô tả ngắn gọn về tổn thương do tia xạ và khả năng kháng tổn thương, chúng tôi tập trung vào một lớp hợp kim ferritic nano cấu trúc mới nổi (NFAs) cho thấy triển vọng trong việc đáp ứng những thách thức này. NFAs chứa mật độ cực cao của các đặc điểm gia cố phân tán giàu Y-Ti-O (NFs) mà, cùng với các hạt tinh và mật độ đứt gãy cao, cung cấp độ bền kéo, độ bền chảy và độ bền mỏi cực kỳ cao. Các NFs ổn định dưới ảnh hưởng của tia xạ lên tới 800°C và giữ He trong các bọt quy mô nhỏ, ngăn chặn sự phồng lên của khoảng trống và làm giòn nhanh ở nhiệt độ thấp, cũng như làm giòn do đứt gãy do chảy trong môi trường nhiệt độ cao. Trạng thái hiện tại của sự phát triển và hiểu biết về NFAs được mô tả, cùng với một số thách thức đáng kể còn lại.