online din 17.10.2003

ultima actualizare 26.10.2009

Promovez

Royalty Free Images

Statistici site

Septembrie 2009

Vizitatori: 2.244

Afisari: 7.498

 

 

 

Particularitati in procesarea materialelor in spatiu

- stadiul actual al cercetarilor - asteptari viitoare - situatia internationala -

Stiinta materialelor in spatiu este inca un domeniu restrans, dar in acelasi timp poate cel mai interesant la ora actuala. Conditiile de gravitatie redusa ce caracterizeaza spatiul cosmic ridica probleme fundamentale ale acestei stiinte, iar ultimele decenii au facut posibil studiul acestora. Sub micro-gravitatie, convectia naturala este redusa, iar efectele de sedimentare sunt anulate. Aceste fapte permit investigarea proceselor de cristalizare si solidificare fara interferenta transportului de caldura si masa prin convectie. Aceste fapte au determinat ca spatiu sa fie considerat o unealta importanta in studierea fundamentelor stiintei materialelor, iar procesarea materialelor in spatiu - astazi doar sub aspect de cercetare - este o apropiere revolutionara asupra acestei stiinte.

 

Stadiul actual al cercetarilor

Experimente ale stiintei materialelor in spatiu se deruleaza de mai bine de 2 decenii. Procesele de solidificare si cristalizare sunt sensibile la miscarea topiturii si la efectele de sedimentare, rezultand ca experimentele necesita cel putin cateva minute de micro-gravitatie. Asa cum am prezentat in prima parte a acestui articole, exista la ora actuala o gama bogate de metode de obtinere a micro-gravitatiei - spre exemplu: rachete balistice, zboruri in orbita joasa sau pe statiile spatiale. Totusi, in majoritatea cazurilor timpul de experimentale este foarte scurt, iar prelungirea acestuia este extrem de costisitoare. Ca o consecinta, aceste experimente sunt facute la intervale lungi de timp, necesitand o perioada de cativa ani de pregatire, avand intotdeauna sansa sa esueze. Exista astfel o discrepanta mare intre experimentele derulate in domeniul stiintei materialelor pe pamant (unde acestea se deruleaza regutat si intr-un ritm alert) si in spatiu.

 

Cu toate acestea, exista cateva rezultate extrem de spectaculoase si importante, obtinute in conditii de micro-gravitatie:

 

  • In legatura cu solidificarea columnara a aliajelor nu exista nici un studiu complet, si informatiile actuale sunt limitate. Folosind un aliaj binar transparent ca model pentru solidificare dirijata, experimentele de pe pamant arata o interfata deformata (fig. 1a), ce nu permite evaluarea cantitativa a texturii. Spre deosebire de acest fenomen, in spatiu solidificarea are loc nedisturbata, urmand o textura hexagonala doar cu cateva defecte (fig. 1b).
  • Solidificarea dendritica directionala sub conditiile unui transfer termic si masic pur difuziv in spatiu, arata o destributie mult mai regulata a cristalelor dendritice, acestea remarcandu-se si prin marimea lor - mai mare.
  • Primele experimente efectuate in spatiu in domeniul cresterii cristalelor echiaxial, au demonstrat un mediu fara sedimentari. Structura granulara este mult mai regulara decat pe pamant, ajutand la intelegerea mecanismului de crestere a grauntilor (fig. 2 a si b). Absenta sedimentarii este deasemenea importanta in cazul sistemelor peritectice, care exista in numeroase aliaje pluri-componente. Fazele solide peritectice cresc in topitura si se comporta ca pulberi in situ (fig. 3). Conditiile de crestere difuziva obtinute in spatiu permit observarea acestor fenomene importante.
  • Principalul obiectiv in studiul cresterii cristalelor in materialele semiconductoare este originea heterogenitatilor chimice, atat la nivel macro, cat si microscopic. Procesarea in spatiu in conditii de microgravitatie si fara contact cu container a permis obtinerea de cristale de marimi inca neatinse in conditii normale, iar faptul ca nu exista presiune hidrostatica a condus la reducerea considerabila a defectelor.
  • Procesarea fara container permite determinarea exacta a proprietatilor termo-fizice a topiturii (vascozitatea, conductivitatea termica, tensiunea superficiala sau entalpia). In particular, in formarea sticlei sau a aliajelor puternic reactive, informatiile obtinute in spatiu au permis imbunatatirea metodologiei de proiectare a termodinamicii acestor procese

Fig. 1 a) sus b) jos - Vedere de sus a interfetei celulare solid-lichid intr-un aliaj transparent solidificat directionat cu un gradient de temperatura de 2.2K/mm si viteza de solidificare de 2.5microm/s. Structura de interfata pe pamant (a) este puternic influentata de miscarea naturala a topiturii. Morfologia celulara in modelul procesat in spatiu este mult mai regulata si permite investigarea fundamentala a evolutiei morfologiei.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig. 2 a) stanga b) dreapta - Solidificarea echiaxiala a aliajului AlCu4 (%g) sub conditii aproape izotermice. Procesarea in spatiu (dreapta) prezinta o microstructura omogena de cristale dendritice si o distributie granulara uniforma. In contrast procesarea pe pamant (stanga) prezinta o dispersie mai mare a dimenisunilor grauntilor.

Fig. 3 - Sectiune intr-o proba de SnSb13 (%at) solidificata in microgravitatie. Faza peritectica este solidificata directional din stanga sus, dupa care proba este racita brusc. Faza pro-peritectica este astfel dispersata in proba deoarece nu exista efectul de sedimentare.

 

Asteptari viitoare

Se asteapta ca cercetarile in spatiu asupra stiintei materialelor sa aduca o contributie cruciala asupra intelegerii fundamentale a procesarii materialelor si asupra imbunatatirii proprietatilor acestora. Experimente sofisticate in medii fara gravitatie permit cresterea cristalelor sau solidificarea aliajelor in conditiile in care transferul de masa si temperatura sunt conduse numai de difuzivitate. Mai mult, absenta  containerelor de procesare permit masurarea proprietatilor termo-fizice ale topiturii, cum sunt vascozitatea, conductivitatea termica, difuzivitatea sau tensiunea superficiala. Iata de ce se asteapta ca aceste cercetari sa ofere o baza de date unica pentru imbunatatirea acuratetii simularilor numerice ale modelelor de formare a microstructurii.

 

Asemenea investigatii fundamentale pot conduce la imbunatatirea produselor industriale. La ora actuala, este o distanta mare intre exprimentele stiintifice simplificate si complexele procese tehnice. Pentru a imbunatatii transferul de informatii intre stiinta si industrie este nevoie de o mai buna cooperarea in acest sens. Aceasta ar putea conduce la cercetarea problemelor industriale specifice in conditii de micro-gravitatie.

 

Se asteapta ca in viitorul apropiat numarul de experimente derulate in spatiu sa creasca spectaculos. Aceasta se datoreaza in primul rand terminarii Statiei Spatiale Internationale, care va pune la dispozitie o baza pentru astfel de experimentari. De asemenea, Agentia Spatiala Europeana, precum si alte agentii din lume au in derulare proiecte de colaborare cu cercetatori din lumea intreaga, dar si puternice legaturi cu ramura industriei. In aceste conditii, conceptul de a invata din spatiu pentru pamant este primul obiectiv al agentiilor spatiale si totodata se asteapta sa fie realizat.

 

Principalele domenii ale stiintei materialelor care au si vor avea prioritatea in experimentarile in micro-gravitatie sunt:

 

  • solidificarea aliajelor metalice - In timpul proceselor de solidificare directionala pe pamant, convectia joaca un rol important in formarea structurii la interfata lichid-solid. In cazul aliajelor metalice, scopul principal este determinarea relatiilor fundamentale ce guverneaza acest proces la o scara microscopica. Se urmareste obtinerea acestor date prin corelarea rezultatelor experimentale cu simulari numerice. In particular aliajele metalice de densitate redusa (aluminiu, titan) folosite in industria autoturismelor si aviatie prezinta un real interes, cu scopul de a stabili regulile care guverneaza diferite procese, reguli ce vor fi implementate in modelari numerice, care la randul lor vor conduce la imbunatatirea proceselor industriale.
  • solidificarea materialelor semiconductoare - In acest domeniu, cresterea cristalelor semiconductoare, obiectivul este intelegerea rolului care il joaca mecanismele de transport de masa si caldura in topitura (convectia naturala si Marangoni). Acesta intelegere se presupune ca va permite obtinerea de cristale mai mari, cu un grad mai mare de omogenitate, precum si mai putine defecte. Temele cheie a acestui domeniu sunt: cresterea cristalelor in conditiile de neexistenta a containerului; cresterea cristalelor din faza de vapor si cercetarea segregatiilor chimice in aliaje foarte concentrate.
  • determinarea proprietatilor termo-fizice ale materialelor - Majoritatea materialelor relevante in ziua de azi sunt formate din cel putin 2 constituenti. In timpul solidificarii pot aparea a multitudine de faze, care pot imbunatati sau deteriora proprietatile materialelor. Intelegerea si prezicerea structurii finale a unui aliaj pluri-component, necesita determinarea proprietatilor termo-fizice ale fazelor si constituentilor, precum si cunostinte cu privire la cat de stabila sau instabila este o faza oarecare. Experimentele in spatiu, folosind procesarea fara container pot fi capabile in a masura aceste proprietati foarte exact. Aceste informatii sunt necesare ca date de intrare in modelarea numerica a proceselor industriale.

 

Situatia internationala

Cercetarea materialelor in spatiu este concentarata in Europa, America, Rusia si Japonia. Situatia acestora insa este asemanatoare, si anume, restrictiile financiare si putinele ocazii de zbor, restrictioneaza numarul experimentelor in spatiu.

 

Cercetatorii rusi au reusit sa beneficieze de astfel de experimente pe statia spatiala M.I.R. in ultimii 15 ani, unde au avut facilitati experimentale pentru studiul cresterii cristalelor si a solidificarii. Din pacate insa, rezultatele publicate sunt rare si evaluarea acestora este dificila.

 

Exista grupuri active de cercetatori americani si japonezi care lucreaza la experimente in conditii de micro-gravitatie. Acestia au efectuat experimente si au publicat rezultate extrem de interesante, care au condus la stadiul actual al acestui domeniu.

 

In ultima perioada s-a stabilit o oarecare cooperare, care face propice dezvoltarea de astfel de experimente. Statia spatiala internationala este unul din primele fructe ale acestei cooperari. Totodata exista anunturi cu privire la oportunitati de experimente in spatiu la un nivel international. S-au publicat deja rezultatele experimentale obtinute in cazul colaborarii a mai multe centre ce cercetare din intreaga lume.

 

 

[Bogdan's World] [Imagini] [Jurnal] [Cultura si Istorie] [Stiinta si Tehnica] [Legaturi] [Romani in Japonia] [Guestbook] [Contact]

 

Bogdan Lazar - Copyright 2003-2009 - Termeni si conditii de utilizare