解鎖「材料基因組」以推進航空航天設計

上個月，雪梨大學航空航太、機械和機電工程學院的研究人員發現了一種顯微鏡方法，可以揭示先進鋼和客製化矽等晶體材料中的原子關係。

航空航太業不斷努力提高效率、性能和安全性，同時減少碳排放並維持永續性。近年來，多項技術進步擴大了地球大氣層內外航空旅行的能力。這包括用於通訊的先進衛星技術、用於輕型零件的增材製造、用於減少排放和降低成本的電力推進、用於更快旅行的超音速飛行，以及用於提高營運效率的人工智慧和機器學習。

航空航太專注於具有非常特殊性能的先進材料。系統通常涉及不同種類的材料，從陶瓷熱材料到碳纖維和鈦，這些材料用於多種目的以優化性能。

該領域的研究旨在開發多功能材料，即材料不僅具有結構功能，還可以提供主動冷卻等其他功能。為了將先進的航空航太概念變為現實，材料必須比以往更耐用、輕巧且更具成本效益。 

隨著航空航太產業的不斷進步，讓我們來看看最新的突破性創新，這些創新將使航空航太業更進一步。

揭開「材料基因組」的面紗以推進設計

上個月，雪梨大學航空航太、機械和機電工程學院的研究人員發現了一種顯微鏡方法，可以揭示先進鋼和客製化矽等晶體材料中的原子關係。

這意味著研究人員可以檢測到這些材料的原子級結構的微小變化，從而增強我們對其屬性和行為的基本起源的理解。這些知識將有助於開發用於電子產品的先進半導體以及用於航空航天領域的更輕、更強的合金。

為此，研究人員使用原子探針斷層掃描 (APT)，一種在三維 (3D) 中可視化原子的技術，來解開短程有序 (SRO) 的複雜性。 SRO 是對材料組成元素偏離隨機分佈的相對趨勢的定量測量。了解當地的原子環境對於創造創新材料至關重要。

透過詳細量化晶體內原子尺度鄰域關係的非隨機性，SRO 開闢了「客製化設計、逐個原子、具有特定鄰域排列的材料的巨大可能性，以實現所需的特性就像力量一樣，」該研究的負責人、雪梨大學副校長（研究基礎設施）西蒙·林格（Simon Ringer）教授說。

SRO 有時被稱為“材料基因組”，它一直是測量和量化的挑戰。這是因為原子排列的規模非常小，用傳統的顯微鏡技術無法看到它們。

因此，研究人員團隊使用 APT 開發了一種新方法，克服了這些挑戰，使其成為“材料科學的重大突破”，AMME 的材料工程師 Ringer 說。 

研究的重點是高熵合金 (HEA)，這是一個受到廣泛研究的領域，因為它們具有在需要高溫強度的情況下使用的潛力，包括噴氣發動機和發電廠。

利用先進的數據科學技術並利用 APT 的數據，研究人員觀察並測量了 SRO。然後，他們能夠比較不同熱處理下鈷、鉻和鎳高熵合金中 SRO 的變化。

根據高級博士後研究員 Andrew Breen 博士的說法：

「（該研究進行了）敏感性分析，限制了此類測量有效和無效的情況的精確範圍。」

透過測量和理解SRO，這項研究還可以幫助轉變材料設計方法，並展示“原子級結構的微小變化如何導致材料性能的巨大飛躍”，博士後研究何孟偉博士說航空航天、機械與機電工程學院研究員。

此外，透過提供微觀層面的藍圖，該研究增強了研究人員計算模擬、建模和預測材料行為的能力。它可以進一步作為未來研究的模板，其中 SRO 控制關鍵材料特性。 

實現高超音速飛行的革命性材料

人們對實現高超音速持續飛行很感興趣，但技術挑戰仍然存在。其中包括管理極端高溫，開發能夠承受壓力、極端溫度和氧化而不影響性能的材料，以及創建能夠在高速和高海拔下高效運行的推進系統。 

當研究人員試圖找到這些問題的解決方案時，廣州大學材料科學與工程學院的科學家今年稍早報告了高超音速隔熱罩的突破。

科學家開發了一種新材料——多孔陶瓷，它可能會改變高超音速飛行的遊戲規則，它可以提供「卓越的熱穩定性」和「超高的抗壓強度」。 

這是透過多尺度結構設計實現的，科學家稱這是首次實現。此外，這種高熵陶瓷的快速製造為航空航太、化學工程以及能源生產和轉移領域更廣泛的探索打開了大門。

研究人員表示，這些陶瓷是透過「超快高溫合成技術製造的

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