KALFADA - CALPHAD

CALPHAD to skrót od CALculation of PHAse Diagrams , metodologii wprowadzonej w 1970 roku przez Larry'ego Kaufmana. Diagram równowagi faz jest zwykle diagramem z osiami temperatury i składu układu chemicznego. Pokazuje regiony, w których substancje lub roztwory (tj. fazy) są stabilne oraz regiony, w których współistnieją dwie lub więcej z nich. Diagramy fazowe są bardzo potężnym narzędziem do przewidywania stanu systemu w różnych warunkach i początkowo były graficzną metodą racjonalizacji informacji doświadczalnych na temat stanów równowagi. W złożonych systemach metody obliczeniowe, takie jak CALPHAD, są wykorzystywane do modelowania właściwości termodynamicznych każdej fazy i symulacji wieloskładnikowego zachowania faz. Podejście CALPHAD opiera się na fakcie, że diagram fazowy jest przejawem równowagowych właściwości termodynamicznych układu, które są sumą właściwości poszczególnych faz. Możliwe jest zatem obliczenie diagramu fazowego, oceniając najpierw właściwości termodynamiczne wszystkich faz w układzie.

Metodologia

Metodą CALPHAD zbierane są wszystkie informacje doświadczalne dotyczące równowag fazowych w układzie oraz wszystkie informacje termodynamiczne uzyskane z badań termochemicznych i termofizycznych. Właściwości termodynamiczne każdej fazy są następnie opisane za pomocą modelu matematycznego zawierającego regulowane parametry. Parametry są oceniane poprzez optymalizację dopasowania modelu do wszystkich informacji, również z uwzględnieniem faz współistniejących. Następnie możliwe jest ponowne obliczenie diagramu fazowego oraz właściwości termodynamicznych wszystkich faz. Filozofią metody CALPHAD jest uzyskanie spójnego opisu diagramu fazowego i właściwości termodynamicznych, tak aby wiarygodnie przewidywać zbiór stabilnych faz i ich właściwości termodynamicznych w regionach bez informacji eksperymentalnych oraz dla stanów metastabilnych podczas symulacji przemian fazowych .

Modelowanie termodynamiczne fazy

Istnieją dwa kluczowe czynniki sukcesu metody CALPHAD. Pierwszym czynnikiem jest znalezienie realistycznych i wygodnych modeli matematycznych dla energii Gibbsa dla każdej fazy. Wykorzystywana jest energia Gibbsa, ponieważ większość danych eksperymentalnych została wyznaczona przy znanej temperaturze i ciśnieniu, a wszelkie inne wielkości termodynamiczne można na tej podstawie obliczyć. Nie jest możliwe uzyskanie dokładnego opisu zachowania energii Gibbsa układu wieloskładnikowego za pomocą wyrażeń analitycznych. Niezbędne jest zatem zidentyfikowanie głównych cech i oparcie na nich modeli matematycznych. Rozbieżność między modelem a rzeczywistością jest ostatecznie reprezentowana przez rozszerzenie szeregu potęgowego w temperaturze, ciśnieniu i budowie fazy. Regulowane parametry tych opisów modeli są udoskonalane w celu odtworzenia danych eksperymentalnych. Siła metody CALPHAD polega na tym, że opisy podsystemów składowych można łączyć w celu opisania systemu wieloskładnikowego.

Obliczenia równowagi

Drugim istotnym czynnikiem jest dostępność oprogramowania komputerowego do obliczania równowag oraz różnego rodzaju wykresów i baz danych z przechowywanymi ocenianymi informacjami. Ponieważ obecnie istnieje wiele różnych rodzajów modeli stosowanych dla różnych rodzajów faz, dostępnych jest kilka baz danych termodynamicznych, zarówno bezpłatnych, jak i komercyjnych, dla różnych materiałów, takich jak stale, superstopy, materiały półprzewodnikowe , roztwory wodne , żużle itp. dostępne jest również kilka różnych rodzajów oprogramowania wykorzystujących różne rodzaje algorytmów do obliczania równowagi. Jest to zaletą, jeśli oprogramowanie pozwala na obliczenie równowagi przy użyciu wielu różnych warunków dla układu, nie tylko temperatury, ciśnienia i ogólnego składu, ponieważ w wielu przypadkach równowagę można określić przy stałej objętości lub przy danym potencjale chemicznym pierwiastka lub danego składu danej fazy.

Aplikacje

CALPHAD miał powolny start w latach 60-tych, ale wyrafinowane systemy termodynamicznych banków danych zaczęły pojawiać się w latach 80-tych i dziś na rynku dostępnych jest kilka produktów komercyjnych, np. FactSage, MTDATA, PANDAT, MatCalc, JMatPro i Thermo-Calc, a także - kody źródłowe, takie jak OpenCalphad, PyCalphad i ESPEI (patrz „Linki zewnętrzne” poniżej). Są one wykorzystywane w badaniach i rozwoju przemysłowym (np. oprogramowanie PrecipiCalc firmy QuesTek Innovations i Materials by Design Technology), gdzie oszczędzają duże ilości czasu i zasobów poprzez redukcję prac eksperymentalnych i udostępnianie przewidywań termodynamicznych dla systemów wieloskładnikowych, które być praktycznie nieosiągalne bez tego podejścia. Istnieje czasopismo o tej nazwie, w którym publikowane są najnowsze osiągnięcia naukowe, ale prace naukowe opisujące zastosowanie metod CALPHAD publikowane są także w wielu innych czasopismach.

Zobacz też

Bibliografia

Linki zewnętrzne