材料工程

来源：Faisal Alamgir，佐治亚理工学院材料科学与工程学院，亚特兰大，佐治亚州 对固体材料微观结构的成像及其成像结构组分的分析被称为材料显微学。诸如材料中是否存在孔隙、晶粒尺寸和形状分布情况，以及微观结构是否具有各向异性等定性信息，均可直接观察获得。然而，我们将在材料显微学系列的第二部分中看到，统计方法使我们能够对这些微观结构特征进行定量测量，并将分析结果从材料样品的二维截面推演至其三维结构。

来源：Faisal Alamgir，佐治亚理工学院材料科学与工程学院，亚特兰大，佐治亚州 对固体材料微观结构进行成像并分析所成像的结构组分，被称为材料显微术。通常，我们希望仅通过暴露的二维表面所呈现的结构特征，来量化材料内部的三维微观结构。虽然基于X射线的断层成像方法可以揭示被埋藏的微观结构（例如医学领域中常见的CT扫描），但由于相关仪器成本高昂，这些技术的可及性非常有限。基于光学显微镜的材料显微术为X射线断层成像提供了一种更为便捷且常规的替代方案。

来源：Faisal Alamgir，佐治亚理工学院材料科学与工程学院，亚特兰大，佐治亚州 X射线光电子能谱（XPS）是一种用于测定材料中元素组成、经验式、化学态和电子态的技术。XPS谱图是通过用一束X射线照射材料，同时测量从被分析材料最表层几个纳米（对于典型的电子动能，约为最表层10 nm以内）逸出的电子的动能和数量而获得的。由于信号电子主要来自材料最表层几纳米范围内，XPS被认为是一种表面分析技术。 XPS（或早期所称的化学分析电子能谱，ESCA）背后物理原理的发现与应用，促成了两次诺贝尔物理学奖的诞生。第一次是1921年授予阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein），以表彰他在1905年对光电效应的解释。光电效应正是XPS信号生成过程的基础。此后很久，凯·西格班（Kai Siegbahn）基于Innes、Moseley、Rawlinson和Robinson等人的早期工作发展了ESCA，并于1954年记录了首个高能量分辨率的NaCl...

来源：Faisal Alamgir，佐治亚理工学院材料科学与工程学院，亚特兰大，佐治亚州 X射线衍射（XRD）是材料科学中用于确定材料原子和分子结构的一种技术。该方法通过用入射X射线照射材料样品，然后测量材料散射的X射线的强度和散射角度来实现。将散射X射线的强度作为散射角度的函数进行绘图，通过分析散射强度峰的角度位置及其强度，即可确定材料的结构。除了能够测定晶体中原子的平均位置外，还可获得实际结构偏离理想结构的信息，例如由内应力或缺陷引起的变化。

来源：Sina Shahbazmohamadi 和 Peiman Shahbeigi-Roodposhti-Roodposhti，美国康涅狄格州斯托尔斯市，康涅狄格大学工程学院 随着电子显微镜在科研实验室中变得越来越复杂且应用日益广泛，介绍其功能也变得愈发必要。聚焦离子束（FIB）是一种可用于在从纳米电子学到医学等多个领域中对微米和纳米尺度材料进行加工、修整、分析和表征的仪器。FIB系统可被视为一束离子，可用于在微米和纳米尺度上对材料进行铣削（溅射）、沉积和成像。FIB的离子柱通常与扫描电子显微镜（SEM）的电子柱集成在一起。

来源：Sina Shahbazmohamadi 和 Peiman Shahbeigi-Roodposhti-Roodposhti，美国康涅狄格州斯托尔斯市，康涅狄格大学工程学院 定向凝固区域熔化是一种冶金过程，其中晶体的狭窄区域（通常呈棒状）被熔化。炉子沿棒状样品移动，意味着熔融区随之在晶体上移动，从棒的一端移至另一端。该机制在合金中广泛应用，但溶质原子倾向于偏析至熔体中。在此类合金中，杂质也会在熔体中富集，并随着移动的熔融区向样品的一端迁移。因此，区域熔化被广泛用于商业材料的提纯。图1展示了高杂质含量的熔融区如何从棒的一侧移动到另一侧。纵轴表示杂质浓度，横轴表示样品长度。由于杂质倾向于偏析至熔融区域，其在熔体中的浓度高于固相中的浓度。因此，当熔融物质向棒的末端移动时，杂质将被携带至棒的末端，而在其后方留下高纯度的固态材料。 图 1：区域熔化定向凝固过程中组分变化的示意图。

来源：Danielle N. Beatty 和 Taylor D. Sparks，犹他大学材料科学与工程系，美国犹他州盐湖城 差示扫描量热法（DSC）是一种用于表征材料热性能的重要测量方法。DSC 主要用于计算材料在加热过程中所储存的热量（即热容），以及在化学反应或相变过程中吸收或释放的热量。然而，通过对这些热量的测量，还可进一步计算其他重要性质，如玻璃化转变温度、聚合物结晶度等。

来源：Elise S.D. Buki、Danielle N. Beatty 和 Taylor D. Sparks，犹他大学材料科学与工程系，美国犹他州盐湖城 激光闪射法（LFA）是一种用于测量材料热扩散率的技术，热扩散率是材料的固有属性。热扩散率（α）表示材料传导热量与储存热量能力的比值。它与热导率（）相关，后者描述了由于温度梯度导致热量在材料中传递的程度，二者之间的关系如下： （公式 1） 其中，⍴ 为材料的密度，Cp 为给定温度下材料的比热容。热扩散率和热导率均为重要的材料特性，用于评估材料传递热量（热能）以及对温度变化的响应能力。热扩散率的测量最常用的方法是热闪光法或激光闪光法。该技术通过激光或氙灯闪光脉冲对样品的一侧进行加热，而另一侧不加热，从而产生温度梯度。该温度梯度导致热量向样品的另一侧传播，并在传播过程中加热样品。在相对的另一侧，红外探测器读取并记录随时间变化的温度变化，以热谱图形式呈现。将实验结果与基于最小二乘法模型的理论预测进行比较和拟合后，即可估算出热扩散率。 激光闪射法是唯一被多种标准（ASTM、BS、JIS...

来源：Logan G. Kiefer、Andrew R. Falkowski 和 Taylor D. Sparks，犹他大学材料科学与工程系，美国犹他州盐湖城 电镀是一种利用电流将溶解的金属阳离子还原，从而在电极表面形成薄层镀层的过程。其他薄膜沉积技术包括化学气相沉积（CVD）、旋涂、浸涂和溅射沉积等。CVD 使用待沉积元素的气相前驱体；旋涂通过离心力将液态前驱体铺展；浸涂与旋涂类似，但不是旋转液态前驱体，而是将基底完全浸入其中；溅射则利用等离子体从靶材上剥离所需材料，随后沉积到基底上。诸如 CVD...

来源：J. Jacob Chavez，Ryan T. Davis，以及Taylor D. Sparks，材料科学与工程系，犹他大学，盐湖城，犹他州 在考虑经历温度变化的系统中将使用哪些材料时，热膨胀极为重要。材料的热膨胀系数高或低是否理想，取决于具体应用。例如，在常见的液体温度计中，高热膨胀系数的材料是理想的，因为它对温度变化更敏感。另一方面，经历高温的系统部件，例如重返大气层的航天飞机，需要选用在大幅温度波动下不会显著膨胀和收缩的材料，以防止产生热应力和断裂。

来源：Kara Ingraham、Jared McCutchen 和 Taylor D. Sparks，犹他大学材料科学与工程系，美国犹他州盐湖城 电阻是电路元件阻碍电流流动的能力。电阻由欧姆定律定义：     (公式 1) 其中 为电压， 为电流。欧姆定律可用于确定理想电阻器的电阻。然而，许多电路元件更为复杂，无法仅用电阻来描述。例如，若使用交流电（AC），则电阻率通常会随交流信号的频率而变化。相较于仅使用电阻，电抗（电气阻抗）是对电路元件阻碍电流能力更准确且更具普适性的度量。

来源：Sina Shahbazmohamadi 和 Peiman Shahbeigi-Roodposhti-Roodposhti，美国康涅狄格州斯托尔斯市，康涅狄格大学工程学院 骨骼是一种复合材料，由陶瓷基质和聚合物纤维增强相组成。其中陶瓷成分提供抗压强度，而聚合物则赋予材料抗拉强度和抗弯强度。通过以不同比例组合陶瓷与聚合物材料，人体能够形成专用于特定功能的特化材料。作为生物医学工程师，因疾病或创伤性损伤而具备修复和复制骨骼的能力，是医学科学中至关重要的一个方面。

来源：Sina Shahbazmohamadi 和 Peiman Shahbeigi-Roodposhti-Roodposhti，美国康涅狄格州斯托尔斯市，康涅狄格大学工程学院 晶粒尺寸小于100 nm的合金被称为纳米晶合金。由于其优异的物理和机械性能，这类合金在半导体、生物传感器和航空航天等各个工业领域中的应用需求日益增长。  为了改善纳米晶合金的加工与应用，有必要开发接近100%致密的块体材料，这需要高温和高压的协同作用。随着施加温度和压力的升高，晶粒开始长大并失去其特有的性能。因此，在高温致密化过程中，如何在实现颗粒间良好结合、最小孔隙率的同时，尽量减少纳米级晶粒尺寸的长大，是技术上的关键所在。 本研究旨在从固溶体中去除氧，以提高纳米晶粒尺寸在高温下的稳定性。将在保护性环境中合成纳米晶 Fe-14Cr-4Hf 合金，以避免氧化物颗粒的形成。

来源：Amber N. Barron、Ashlea Patterson 和 Taylor D. Sparks，犹他大学材料科学与工程系，美国犹他州盐湖城