Messwerkstoffgefüge unter Verwendung von Fluss 1-2 Flugzeug Flussneutronenkleinwinkelstreuung

Die Entwicklung einer wissenschaftlichen Verständnis der Naturphänomen erfordert eine genaue und präzise Messungen. Messtechnik ist auch die Grundlage für eine erfolgreiche Entwicklung und Planung von neuen Verfahren und Materialien. Rheologie ist die Wissenschaft von der Deformation und den Fluss von Materie. Die Rheologie ist in unsere Fähigkeit, eine Vielzahl von Materialien verarbeiten zentralen und wird auch von Produkt Formulierer verwendet, um bestimmte Materialeigenschaften gezielt. Typische Beispiele für die ersteren zählen Form Polymeren oder Verbundwerkstoffe bilden, während die letzteren gehört die Entwicklung von alltäglichen Konsumprodukten wie Farben, Shampoos und Lebensmittel. Ob die Viskosität des geschmolzenen Polymers wird gesteuert, so dass es sein kann wirkungsspritzt oder die Viskoelastizität eines Shampoos geändert wird, sodass die richtige Konsistenz für den Verbraucher werden die rheologischen Eigenschaften durch Änderung der Formulierung des Materials ¹ gesteuert. Die Rheologie von Materialien und Produkten hängt auch von ter im flüssigen Zustand zu strukturieren und diese Struktur reicht von der Mikro in den Nanobereich. Ferner ändert sich diese Struktur mit den Verarbeitungsparametern, wie beispielsweise Durchflussrate und der Zeit der Strömung, die Rheologen Herausforderungen, die Struktur während des Durchflusses zu messen. Es ist diese Herausforderung, die erfüllt ist, teilweise durch das in diesem Artikel beschriebene neuartige Instrumente.

Neue Techniken in der Lage, die Erforschung der Mikrostruktur von weichen Materialien unter Scherfluss weichen Material Produktentwicklung und Verarbeitungsbedingungen Optimierung profitieren. Viele interessante und langjährige Herausforderungen für die Anwendung von weichen Materialien in einer Vielzahl von Branchen und in der Grundlagenforschung betreffen ungewöhnliche Fließverhalten, wie Scher Verdickung in kolloidalen Suspensionen ^2, Scher-und Streifenbildung in Wirbelwurmartigen Mizellen ³ und Heterogenitäten in der inhärenten Fluss von kolloidalen Gele ^4-6. Rheologen sind ständig herausgefordert, die microstru aufzuklärenctural Herkunft der Nichtlinearitäten in den rheologischen Antworten und manchmal sogar in die Geschwindigkeitsfeld Scher viskoelastischen Materialien. Diese Aufgabe erfordert die gleichzeitige Erfassung der Mikrostruktur als eine Funktion von sowohl der räumlichen Stelle in dem Strömungsfeld und die zeitabhängige Verhalten, das eine schwierige Aufgabe für Experimentatoren bewährt hat.

Neutronenkleinwinkelstreuung (SANS) ist besonders gut für die Messung der Struktur von komplexen Fluiden, wie es Materialien, die lichtundurchlässig sind Sonde geeignet. Auch selektive Deuterierung kann verwendet werden, um den Kontrast zwischen den Komponenten, die erscheinen unter Röntgenstreuung ⁷ ähnliche vorsehen. Darüber hinaus haben Neutronen einen Vorteil gegenüber Röntgenstrahlen, da es keine Strahlenschäden von biologischen oder anderen weichen Materie Proben. In der hier gezeigten Experimenten werden kalte Neutronen durch einen Reaktor oder ein Abplatzen Quelle erzeugt kollimiert und auf eine Probe beleuchtet. Die Streuintensität yiELDs über die Struktur des Materials auf Längenskalen von atomarer zu Hunderten von Nanometern (und mit ultra-Kleinwinkelneutronenstreuung bis zu zehn Mikrometer), sondern in Form einer Fourier-Transformation der Realraum-Struktur. Daher kann die Interpretation der Daten schwierig und beinhaltet eine inverse Transformation oder Vergleich zur Mikrostruktur Modelle oder Simulationen. Mehr über SANS Instrumentierung, Experimente, und Kontrastanpassung auf die Tutorials auf der Website des Center for Neutron Science www.cns.che.udel.edu geschrieben gefunden werden.

Hier beschreiben wir eine Scherzelle entwickelt, um die SANS-Methode erweitern, um Materialien unter Strom zu untersuchen. Eine aktuelle Übersicht über die allgemeine Methodik und Instrumentierung, sowie eine umfangreiche Literatur Überprüfung der jüngsten Anwendungen können in Bezug ⁸ und den darin zitierten Referenzen gefunden werden. Eine bequeme und fast ideale Umgebung, um Fluid-Struktur unter Scherströmung mit SondeSANS ein schmaler Spalt Couette-Geometrie, die auch als konzentrische Zylinder ⁹ bekannt. Diese Geometrie gilt eine einfache (dh laminar) Scherstrom zu der Probe, während ein ausreichender freie Volumen für die einfallenden Neutronenstrahls. Die Anwendung von Durchfluss bricht die Symmetrie der Mikrostruktur, wie eine solche vollständige Charakterisierung der Mikrostruktur des Materials unter einfache Scherströmung erfordert Gefügemessungen in allen drei Ebenen des Scher. Zwei Scherebenen können unter Verwendung des Couette Geometrie Konfiguration (1a) untersucht werden: die Neutronenstrahl konfiguriert ist, um entlang der Geschwindigkeitsgradient Richtung bewegt und die Geschwindigkeit der Sonde-Wirbel (1-3) Scherebene ("radial" Konfiguration) alternativ wird der Strahl durch einen dünnen Schlitz und parallel ausgerichtet zur Strömungsrichtung parallel ausgerichtet, wodurch die Wirbelgeschwindigkeitsgefälle-(2-3)-Ebene ("tangential" Konfiguration) Sondieren. Dieses Instrument ist verfügbar commercially und wurde kürzlich zur Untersuchung komplexer Fluide unter Scher ¹⁰ dokumentiert. Die genannte Überprüfung beschreibt seine Verwendung und der damit verbundenen Geräte zur Struktur-Eigenschafts-Bestimmung in einem breiten Spektrum von Materialien und Anwendungen ^8. Zeitaufgelöste Messungen, wie zum oszillierenden Scherströmungen haben auch berichtet, ^{11, 12.}

Oft ist die interessanteste und wichtigste Ebene ist die Strömungsgeschwindigkeit-Geschwindigkeitsgradient (1-2)-Ebene (Fig. 1b), aber es ist auch die schwierig zu untersuchen, da es spezielle Instrumentierung erforderlich. Eine benutzerdefinierte Scherzelle wurde entwickelt, um direkte Untersuchung der Geschwindigkeit-Geschwindigkeitsgefälle (1-2)-Ebene von SANS, so dass der Neutronenstrahl parallel zu den Wirbelachse Scher ^13-16 reist zu ermöglichen. Messungen in der Ebene 1-2 der Strömung sind entscheidend für Gewinnung eines quantitativen Verständnis für die Scherviskosität, weil sie elucidaß die Orientierung der Struktur relativ zu der Strömungsrichtung ^{15, 17, 18.} Dies ist für Materialien wie Polymere, selbstorganisierten Tenside, Kolloide, und andere komplexe Fluide. Darüber hinaus ist es möglich, Mikrostruktur der Materialien als eine Funktion der Position über den Spalt in der Gradientenrichtung des Scherflusses zu untersuchen. Mit der Zugabe von räumlichen Auflösung, wobei das Verfahren ein Mittel zur Untersuchung von Materialien, die Gefügeänderungen entlang der Gradientenrichtung des Scher aufweisen. Ein Beispiel für die Untersuchung von Veränderungen in der Mikrostruktur und Zusammensetzung entlang des Gradienten Strömungsrichtung Scherkanten. Scherkanten ist ein Phänomen, durch eine Kopplung zwischen der Mikrostruktur und der Strömungsrichtung, die in einem inhomogenen Strömungsfeld ¹³ Ergebnisse verursacht werden. Wie am NIST Center for Ne implementiert in diesem Artikel beschreiben wir das Instrument, dessen Montage und die Strömungs SANS-Messtechnikutron Forschung (NCNR) am National Institute of Standards and Technology (NIST) in Gaithersburg, MD. Diese Probenumgebung ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen der Universität Delaware, NIST und dem Institut Laue-Langevin (ILL), und wurde erfolgreich an beiden ILL und NIST implementiert. Für die Zwecke dieses Artikels, in dem die SANS bestimmte Teile des Protokolls betroffen sind, wird die Technik beschrieben, wie bei NIST implementiert. Doch die Veränderung dieser gerätespezifischen Details sollte einfach sein und die gesamte Technik kann auf jedem Instrument SANS für stetigen Fluss (Abschnitt 5.1) realisiert werden. Darüber hinaus können Geräte mit zeitaufgelöster SANS-Funktionen ausgestattet auch oszillierenden Scherströmung SANS-Experimenten (Abschnitt 5.2) durchzuführen. Technische Zeichnungen der Scherzelle Komponenten werden als Figuren 12-23 zur Verfügung gestellt.