在共晶凝固过程中，两种或两种以上固体的混合物自组装，形成复合微观结构，从有序的层到复杂的迷宫状图案，这些结构奠定了抗拉强度或延展性等特性。
到目前为止，研究人员还不清楚是什么条件促使共晶形成特定的图案，这对于设计可重复的下一代共晶复合材料至关重要。
根据密歇根大学研究人员最近发表在《材料学报》上的一项研究，在纳米分辨率下捕获铝镍共晶合金(Al-Al3Ni)的实时凝固过程表明，增加凝固速度会使微观结构从不规则的多面转变为规则的圆形。
利用这种对共晶形成的新认识，将有助于调整涡轮机或反应堆高温部件中使用的材料类别的微观结构。
“我一直被大自然的图案所吸引，就像雪花一样，没有两片是完全相同的。
密歇根大学材料科学、工程和化学工程副教授、该研究的资深作者Ashwin Shahani说:“这种对看似简单的过程如何产生无穷丰富、复杂和独特结构的迷恋驱使我探索它们背后的潜在原理。”
“在材料科学中，同样的奇迹也适用:条件的微小变化如何导致截然不同的微观结构?”
为了更好地理解共晶微观结构是如何形成的，研究小组在同步加速器光束线上设计了一种新的原位炉，用于定向凝固——一种晶体从液体到固相生长在特定方向上的技术。该装置可以精确控制凝固过程空间，从而可以详细研究共晶凝固过程中图案的形成。
为了将纳米尺度的观察与微观尺度的现象联系起来，研究人员结合了两种可视化技术。光学显微镜捕捉了大空间和时间尺度上的凝固，而同步加速器透射x射线显微镜提供了纳米尺度的见解。后者是在布鲁克海文国家实验室的国家同步加速器光源II的全场x射线成像光束线18-ID上进行的。
通过这种方法，他们直接观察了液体、铝(Al)和镍铝化物(Al3Ni)晶体在不同条件下凝固过程中的相互作用。与al相比，Al3Ni的生长速度(称为耦合程度)决定了留下的固体微观结构的形状。
例如，当以较低的速度凝固时，Al3Ni的尖端在Al之前生长，导致不规则的，多面生长。在高凝固速度下，Al3Ni和Al以相同的速度生长，形成圆形、规则的生长。
在铸件中，凝固速度取决于几个因素，包括熔体的导热性和热提取率。
“我们的首次同类实验和实时观察有助于解释由含有坚硬金属间相的共晶凝固产生的巨大多样性模式。这些见解对于为材料合成模拟提供信息和验证至关重要，”密歇根大学材料科学与工程专业的博士研究生Paul Chao说，他在2022年花了整整一年的时间作为同步加速器光束线的常驻研究员，也是该研究的第一作者。
“我们的实验是密歇根大学优秀的导师、与布鲁克海文国家实验室的合作以及国际合作对解决基本科学谜团的前沿研究至关重要的一个例子。”
这一发现对广泛的共晶系统具有广泛的相关性，包括那些金属、半金属和有机共晶系统。
“操纵这些图案不仅仅是一种技术追求，它是一种揭示基本原理并以有意义的方式应用它们的方法，从提高材料的强度到开拓材料设计的新方法，”Shahani说。
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希望本篇文章《实时纳米成像技术揭示共晶凝固的基本机制》能对你有所帮助！
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