Eutektisten seosten jähmettyminen mikrogravitaatiossa

Alustavat analyysitulokset löytyvät Täältä.



Kokeemme tarkoituksena on tuottaa eutektisten ja muidenkin seosten näytteitä mikrogravitaation vaikutuksessa ja analysoida myöhemmin eroja tällä tavoin tuottettujen ja maassa tehtyjen näytteiden välillä. Eutektisuus tarkoittaa, että aine siirtyy suoraan faasista toiseen ilman välivaiheita. Monilla metalleilla on "puuroutumisfaasi" välissä nesteestä lopulliseen kiderakenteeseen siirryttäessä. Tällöin välilämpötilassa kiderakenne on erilainen kuin lopussa.

Ominaisuudet, joita aiomme tutkia ovat mikrorakenne, varsinkin kahden eri metallin jakauma ja niistä aiheutuvat aineen ominaisuudet. Tutkimus tehdään Tampereen teknillisessä korkeakoulussa kokeen suorittamisen jälkeen.



Käytettävä laitteisto




• Kahden eutektisen materiaalin, normaalin juotostinan PbSn:n ja lyijyttömän SnAgCu:n näytteitä. Mahdollisesti myös muita samantyyppisiä seoksia.
  
• Suojattuun laatikkoon pakattu laitteisto, joka koostuu teholähteestä ja näytteiden kiinnitysalustasta. Virta johdetaan auton sulakkeen tyyppisen näyteputkilon läpi, jossa keskellä oleva metallilanka kuumenee ja sulattaa lasinputkilon sisällä olevan materiaalinäytteen.
  
  
  

  Teoria

  Eutektisessa jähmettymisessä homogeeninen metallineste jakautuu tietyssä lämpötilassa kahdeksi kiinteäksi metallifaasiksi, joilla on keskenään erilainen koostumus. Esimerkiksi Pb-Sn-seokselle (38%-62%) tämä lämpötila on ainoastaan 183 astetta Celciusta, mikä tekee kokeen suhteellisen helpoksi suorittaa. SnAgCu (95.8%-3.5%-0.7%) on puolestaan lyijytön juote, jonka jähmettymislämpötila on 221 Celsiusastetta.
  Normaaligravitaatiossa nosteen aiheuttama metallien siirtyminen häiritsee jähmettymisprosessia ja siksi mikrogravitaatiossa tämän voiman lähes täydellinen puuttuminen voi tuottaa erilaisia rakenteita verrattuna normaalioloissa tuotettuihin näytteisiin.
  Aineiden elektroniset ominaisuudet ovat riippuvaisia kemiallisista ja hilarakenteellisista ominaisuuksista. Kuitenkaan täydellinen hilarakenne ei yleensä ole lopullinen tavoite. Pieni epäpuhtauksien määrä monissa materiaaleissa voi nostaa esimerkiksi sähkönjohtavuutta. Tutkimme myös tällaisia näytteitä.

  Proseduuri
  

  Koe on tarkoitus toteuttaa seuraavalla tavalla: Näyte sulatetaan syöttämällä virtaa näytteen vieressä kulkevan johtimen läpi juuri tarpeeksi, että näyte sulaa. Näyte jähmettyy lennon mikrogravitaatiovaiheen aikana. Parabolihypyn jälkeen numeroitu näyteputkilo vaihdetaan uuteen seuraavaa hyppyä varten. Koeoloista pidetään koko ajan kirjaa niin, että näytteitä myöhemmin analysoitaessa olosuhteet ovat tarkasti tiedossa.
  Suunnittelemme kokeen suorituksen mahdollisimman yksinkertaiseksi niin, että se onnistuu helposti vaikeissakin oloissa painottomuudessa.

  Suurimmat haasteemme tulevat olemaan näytteen kiinteytymisen varmistaminen tapahtumaan mikrogravitaation aikana ja sulattamisen ajoitus niin, että lämpötila ei missään vaiheessa nouse liian paljon sulamispisteen yläpuolelle.

  Näytteiden analysointi
  

  Suunnittelemme tutkivamme seuraavia ominaisuuksia:
  

• Eutektinen jakauma ja mikrorakenne
  
• Hilarakenne
  
• Epäpuhtauksien jakauma
  
• Sähkönjohtavuus
  
• Lämmönjohtavuus

  Eutektinen jakauma (tasaisesti hajautunut, faasirakenne) on tärkein tutkittavista efekteistä, koska nostevoimat pyrkivät epäsäännöllistämään rakennetta. Mikrogravitaatiossa tapahtuvan jähmettymisen seurauksena voi syntyä esim. mikrorakenteita, joissa suuremman tilavuusosuuden omaava faasi muodostaa matriisin, johon toinen faasi on jakautunut tasaisesti samansuuruisiksi alueiksi.

  Pieniä epäpuhtausmääriä käyttämällä pystymme tutkimaan myös sen jakaumaa ja vertaamaan sitä normaalioloissa valmistettuihin näytteisiin. Tutkimme mikrorakennetta ja aiomme analysoida sitä käyttämällä seuraavia menetelmiä:
  

• scanning electron microscopy (SEM)
  
• transmission electron microscopy (TEM)
  
• energy dispersive spectroscopy (EDS)
  Myös sähkönjohtavuutta tutkitaan.

  Etukäteen on vaikea arvioida, kuinka paljon mikrogravitaatiossa tuotetut näytteet eroavat normaaleista. Se jää nähtäväksi näytteiden analysoinnissa.