鋳造品の表面粗さの定量化と最適化のための新しい機械学習アプローチ

Scientific Reports volume 13、記事番号: 13369 (2023) この記事を引用

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表面粗さは材料の寿命に悪影響を与えます。 孔食を促進し、有効熱伝達を増加させ、有効電荷損失率を増加させます。 しかし、多くの用途では表面粗さを制御することが望ましい。 自動車用鉛酸バッテリーは、このような影響に非常に敏感です。 私たちのケーススタディでは、キャストオンストラップマシンが鉛アンチモン合金の表面粗さに最も大きな影響を与えます。 この点において、統計的相関関数は、異種相関関数の統計的形態学的記述子として一般的に使用されます。 2 点相関関数は、二相材料構造の微細構造を定量化するための有益なツールです。 ここでは、2 点相関関数を使用して表面粗さを定量化し、鉛蓄電池で使用される鉛アンチモンの極とストラップを、腐食性の高い媒体で使用した場合の電気化学的腐食を軽減する解決策として最適化する方法を示します。 ただし、この方法は、レーザー切断だけでなく、海水に浸したパイプなどの幅広い用途の表面粗さマッピングに使用できると考えられます。 ２点相関関数から得られた情報を使用し、表面の微小凹凸を最適化するために模擬アニーリング手順を適用する可能性を調査した。 結果は、最初に提案された仮説と一致する、表面表現と最適化が成功していることを示しました。

材料科学の至宝は材料の四面体です。 コンポーネント間の重要な関係を知ることが、望ましい特性を持つ新しい材料を設計する鍵となります。 表面特性は材料の破損を予測するのに役立ちます。 鉛蓄電池業界では、ポールとストラップ (各電気化学セル間のコネクタ) が、バッテリ内の電流と熱電流の接続に重要です1。 したがって、このような材料の表面亀裂の発生を制御することは、バッテリーの性能と製造プロセスを向上させるだけでなく、より低質量の鉛バッテリーコンポーネントの設計に役立ち、鉛の消費と毒性を軽減するために重要です。 極とストラップを図 1 に示します。極はバッテリーの端子ですが、ストラップは各 2.1 V バッテリー セルの正極板を相互に接続し、負極板を相互に接続して 12.6 V バッテリー スタック 2 を形成します。 プレートを各ストラップに溶接するプロセス中に、プレートのラグにフラックスが塗布されて溶接され、非常に粗い表面が生成されます。 バッテリーストラップが腐食性媒体 (1.27 ～ 1.28 sp. gr の硫酸) に浸漬されている2。 粗い表面は材料の電気化学的腐食に影響を及ぼし、その結果、導電性、熱伝導性が低下し、動作中に疲労亀裂が発生します3、4、5。 私たちは、高い放電率で多くのバッテリー極が爆発したことを経験的に観察しました。 粗さは、文献内の他の材料系で広く調査されている全体腐食の主な影響パラメータです。 ただし、当社のシステムでは、粗面のセル間のポールとコネクタを製造すると、他の金属システムと同様に腐食が増加し、ガス脆化により空洞経路が生成され、コアに向かって表面亀裂が伝播する可能性があります。 バッテリーの動作中、継続的な水素と酸素のガスが化学反応によって上昇します。また、腐食の影響による初期亀裂があった場合、バッテリーの振動も疲労を引き起こす可能性があります。 進行性の腐食が進行しているサンプルでは、​​より大きな直径の空洞と腐食経路が極に見られ、表面収縮の影響で極の爆発が発生する可能性があり、進行性の腐食が進行している場合のバッテリーのサイクル特性を向上させる試みが制限されます。