CALPHAD ( lyhenne englanninkielisestä sanasta CALculation of PHAse Diagrams ) on menetelmä vaihekaavioiden laskemiseksi, jota L. Kaufman ehdotti 1960-luvulla. [1] [2] [3] [4] [5] Tasapainofaasikaavioilla tarkoitetaan yleensä kaavioita kemiallisen järjestelmän koostumuksen riippuvuudesta lämpötilasta . Faasikaaviossa on merkitty yhdisteiden ja liuosten (eli faasien) olemassaoloalueet ja niiden rinnakkaiselon alueet . Vaihekaaviot ovat erittäin tehokas työkalu järjestelmän tilan ennustamiseen erilaisissa olosuhteissa. Ne ilmestyivät ensin graafisena menetelmänä kokeellisen tiedon yhteenvetämiseksi tasapainosta. [6] Monimutkaisissa järjestelmissä laskennallisia menetelmiä, kuten CALPHAD, käytetään mallintamaan kunkin vaiheen termodynaamisia ominaisuuksia ja mallintamaan monikomponenttijärjestelmän käyttäytymistä kokonaisuutena. [7] [8] [9] CALPHAD-lähestymistapa perustuu siihen, että vaihekaavio on ilmentymä järjestelmän termodynaamisista tasapainoominaisuuksista , jotka koostuvat järjestelmän muodostavien faasien ominaisuuksista. [10] Näin ollen on mahdollista laskea vaihekaavio järjestelmän kaikkien vaiheiden termodynaamisten ominaisuuksien alustavan arvioinnin perusteella .
CALPHAD-menetelmä yhdistää kaiken kokeellisen tiedon järjestelmän faasitasapainoista ja kaiken termodynaamisen tiedon, joka on saatu termokemiallisista ja termofysikaalisista tutkimuksista. [4] Sitten kunkin vaiheen termodynaamisten ominaisuuksien joukko kuvataan matemaattisella mallilla, joka sisältää säädettävät parametrit. Parametrit lasketaan optimoimalla - sovittamalla malli kaikkeen tietoon, mukaan lukien rinnakkaiset vaiheet. Tämän jälkeen on mahdollista laskea uudelleen vaihekaavio ja järjestelmän muodostavien faasien termodynaamiset ominaisuudet. CALPHAD-menetelmän ideana on sekä saada johdonmukainen kuvaus vaihekaaviosta että luotettavasti ennustaa stabiilien faasien joukko ja niiden termodynaamiset ominaisuudet niillä faasikaavion alueilla, joilla ei ole kokeellista tietoa, sekä metastabiilit tilat . mallintamalla vaihemuunnoksia .
CALPHAD-menetelmän onnistuneelle käytölle on kaksi kriittistä tekijää.
Ensimmäinen tekijä on löytää realistinen ja kätevä matemaattinen malli kunkin vaiheen Gibbs-energialle . Gibbsin energiaa käytetään, koska suurin osa kokeellisista tiedoista saadaan tietyissä lämpötiloissa ja paineissa. Lisäksi Gibbsin energiasta voidaan johtaa mikä tahansa muu termodynaaminen suure . Monikomponenttijärjestelmän Gibbsin energian täydellisen kuvauksen saaminen analyyttisessä muodossa on mahdotonta. Siksi on tarpeen määrittää tärkeimmät ominaisuudet, joille matemaattinen malli rakennetaan. Mallin ja todellisen järjestelmän välistä eroa edustaa viime kädessä lämpötilan, paineen ja faasikoostumuksen tehosarjan laajeneminen. Mallin kuvauksen säädettävät parametrit tarkennetaan ennen kokeellisten tietojen toistamista. CALPHAD-menetelmän voima on siinä, että monikomponenttijärjestelmän muodostavien alijärjestelmien kuvaukset voidaan yhdistää sen kuvauksen täydentämiseksi.
Toinen kriittinen tekijä on tasapainon laskemiseen tarkoitettujen tietokoneohjelmien saatavuus sekä erilaiset kaaviot ja tietokannat, joissa on asiantuntijatietoa. Tällä hetkellä on olemassa monia erilaisia malleja, joita käytetään erilaisille vaiheille, on olemassa useita termodynaamisia tietokantoja (sekä kaupallisia että vapaasti levitettyjä) eri materiaaleista (teräkset, superseokset, puolijohdemateriaalit, vesiliuokset, oksidit jne.). On myös useita erilaisia ohjelmia, jotka käyttävät erilaisia tasapainolaskentaalgoritmeja. Kehittyneimmät niistä mahdollistavat lämpötilan, paineen ja koostumuksen lisäksi myös monen muun tyyppisen järjestelmän olemassaolon olosuhteiden käyttämisen tasapainon laskemiseen, koska tasapaino voidaan usein määrittää vakiotilavuudessa tai tietyssä kemikaalissa. elementin potentiaali tai tietyn faasin koostumus jne.
CALPHAD-lähestymistapa kehittyi hitaasti 1960-luvulta lähtien, kunnes kehittyneet termodynaamisiin tietokantoihin perustuvat järjestelmät syntyivät 1980-luvulla. Nyt on olemassa useita kaupallisia ( FactSage , MTDATA , PANDAT , Thermo-Calc , NUCLEA / GEMINI , jne. ) ohjelmistotuotteita sekä ilmaisia ohjelmistokoodeja - OpenCalphad , PyCALPHAD ja ESPEI . Niitä käytetään sekä tieteellisessä tutkimuksessa että tuotannossa. [11] [12] [13] [14] Näiden ohjelmien käyttö voi merkittävästi vähentää aika- ja materiaalikustannuksia optimoimalla kokeellista työtä monikomponenttijärjestelmien käyttäytymisen termodynaamisen ennustamisen seurauksena (mikä olisi käytännössä mahdotonta ilman CALPHAD-lähestymistapaa ). On olemassa CALPHAD-lehti , joka korostaa tieteellisiä saavutuksia faasikaavioiden termodynaamisen mallintamisen alalla. CALPHAD-menetelmän käyttöä kuvaavia tieteellisiä artikkeleita julkaistaan monissa muissa aikakauslehdissä.