新的晶体生长取向方法操纵材料的性能

德克萨斯A&M大学材料科学与工程博士毕业生HandeOzcan博士和系主任兼雪佛龙教授IbrahimKaraman博士发现了一种无需熔融加工即可生长单晶并同时控制其生长方向的新方法。

这种新的固态晶体生长和取向控制方法的发现最近发表在《材料学报》上。该研究论文的重点是生长大型单晶及其改变其晶体取向的能力。晶体取向描述了散装样品中晶体的排列。

“在过去的三十年里，我们一直在研究单晶，但通过熔融加工和控制其取向来生长晶体一直非常具有挑战性，”卡拉曼说。“Hande发现的方法现在为我们节省了大量时间，并提供了更大的灵活性。还有更多值得探索的地方;这就是我们对这种新方法感到兴奋的原因。

根据研究论文，控制单晶的大小、形状和晶体取向对于开发所需的特性至关重要。Ozcan说，这种方法对于需要具有各向异性特性的材料的应用非常重要。

“这种机制允许这些材料在固态下改变其方向，而无需繁琐和昂贵的熔融加工技术。这很重要，因为这些材料在具有不同的晶体学方向时表现出不同的性质，“Ozcan说。

Ozcan第一次看到晶体学取向可以在如此大的尺度上改变。

“这可能会从根本上改变我们看待单晶和操纵材料特性的方式，因为使用固态方法，我们不仅可以非常容易地生长出大的单晶，而且同时，我们现在可以使用它们的晶体学取向，”Ozcan说。

单晶对于微电子、光学晶体、磁性器件、太阳能电池、压电元件和多功能合金至关重要。这些材料的一个具体用例示例是多功能形状记忆合金。这些材料可以改变其形状并在施加热量或应力时恢复。

“例如，当你施加载荷时，你可以使材料变形，但当你释放它时，它会恢复到原来的形状，”Ozcan说。

这些特性在很大程度上取决于单晶的取向;有些方向以完美的方式表现出这种复苏，有些则没有。因此，方向控制对于获得优越的功能特性至关重要。

根据研究论文，这种技术的另一个优点是它不需要复杂和昂贵的设备。

传统上，熔体生长技术，称为布里奇曼和柴可拉斯基工艺，用于获得具有首选取向的大晶体。然而，控制晶体取向仍然具有挑战性。

这些方法依赖于加工过程中适当的晶种、精确的成核和热剖面控制。

由于这种复杂性，这些方法非常昂贵。这种新方法被称为固态晶体生长(SSCG)技术，该方法可以通过简单的热处理来制造具有不同晶体取向的大块晶体。

在这个过程中，生产的晶体用途更广，可以比传统使用的熔体生长技术获得更好的化学均匀性。

德克萨斯A&M的研究小组在两种合金体系FeMnAlNi和CuMnAl中展示了SSCG方法，并在固态中实现了重复的大规模取向变化。

根据研究论文，这些发现提供了一种新的策略，可以根据需要操纵大单晶的取向，以利用其优越和高度各向异性的特性。

“这个过程适用于具有半相干沉淀物的材料，并且在其相图中具有两相区域，”Ozcan说。“当你在两相区域中多次将材料从高温循环到低温时，会沉淀成核并溶解并留下亚晶界。然后晶粒开始生长，减少多余的晶下边界能量。这些颗粒继续生长和融合，最后，你可以得到一个晶体。

当你在材料变成单晶后继续循环时，没有其他方法可以减少系统中多余的能量，它会激活一种改变其晶体取向的机制。

“我们实际上是在做其他事情时发现这种技术的。我们并没有专门针对改变晶体学方向，“Ozcan说。“我们只是在努力生长大型单晶。

在这个过程中，Ozcan和团队发现，在短短几个循环中，合金会变成单晶，随着额外的循环，她意识到单晶的方向开始完全改变。

“我把结果给卡拉曼博士看了，我非常兴奋，”她说。“在那之后，我们开始了解发生了什么以及为什么晶体取向发生变化;我们尝试了不同的方法和处理时间表来操纵这种变化。

她说，这一发现将开辟广泛的研究领域。这只是这条令人兴奋的寻找新材料的新道路的开始。