Наблюдение за эффектами водорода в металле

Прочитано: 60 раз(а)
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Оценок пока нет)
Loading ... Loading ...


Водород, второй из самых маленьких атомов, может проникать прямо в кристаллическую структуру твердого металла.

Это хорошая новость для усилий по безопасному хранению водородного топлива внутри самого металла, но это плохая новость для таких конструкций, как сосуды высокого давления на атомных станциях, где поглощение водорода в конечном итоге делает металлические стенки резервуара более хрупкими, что может привести к разрушению. Но этот процесс охрупчивания трудно наблюдать, потому что атомы водорода диффундируют очень быстро, даже внутри твердого металла.

Наблюдение за эффектами водорода в металле

Теперь исследователи из Массачусетского технологического института нашли способ обойти эту проблему, создав новую технику, которая позволяет наблюдать поверхность металла во время проникновения водорода. Их выводы описаны в статье, опубликованной сегодня в Международном журнале водородной энергетики , пост-доктором MIT Джинву Кимом и доцентом Томаса Б. Кинга по металлургии К. Джема Тасана.

«Это, безусловно, крутой инструмент», — говорит Крис Сан Марчи, выдающийся сотрудник технического персонала Национальной лаборатории Sandia, который не принимал участия в этой работе. «Эта новая платформа визуализации имеет потенциал для решения некоторых интересных вопросов о переносе и улавливании водорода в материалах и, возможно, о роли кристаллографии и микроструктурных составляющих в процессе охрупчивания».

Водородное топливо считается потенциально важным инструментом ограничения глобального изменения климата, поскольку это высокоэнергетическое топливо, которое в конечном итоге может использоваться в автомобилях и самолетах. Однако для его содержания требуются дорогие и тяжелые резервуары высокого давления. Хранение топлива в кристаллической решетке самого металла может быть дешевле, легче и безопаснее, но сначала нужно лучше понять процесс проникновения и выхода водорода из металла.


«Водород может диффундировать в металле с относительно высокой скоростью, потому что он такой маленький», — говорит Тасан. «Если вы возьмете металл и поместите его в обогащенную водородом среду, он будет поглощать водород, и это вызывает водородное охрупчивание», — говорит он. Это потому, что атомы водорода имеют тенденцию сегрегироваться в определенных частях кристаллической решетки металла, ослабляя его химические связи.

Новый способ наблюдения за процессом охрупчивания в том виде, в котором он происходит, может помочь выявить, как происходит охрупчивание, и может предложить способы замедления процесса или его предотвращения путем создания сплавов, которые менее уязвимы для охрупчивания.
Сан Марчи из Сандиа говорит, что «этот метод может играть важную роль — в координации с другими методами и моделированием — для освещения взаимодействий водородного дефекта, которые приводят к водородному охрупчиванию. При более всестороннем понимании механизмов водородного охрупчивания материалы и микроструктуры могут быть разработаны для улучшения их характеристик в экстремальных водородных средах «.

Ключом к новому процессу мониторинга было создание способа воздействия на металлические поверхности водородной средой, находящейся внутри вакуумной камеры сканирующего электронного микроскопа (СЭМ). Поскольку для работы SEM требуется вакуум, газообразный водород не может быть заправлен в металл внутри прибора, и, если он предварительно заряжен, газ быстро рассеивается. Вместо этого исследователи использовали жидкий электролит, который мог содержаться в хорошо закрытой камере, где он подвергается воздействию нижней стороны тонкого металлического листа. Верх металла подвергается воздействию электронного луча SEM, который затем может исследовать структуру металла и наблюдать влияние атомов водорода, мигрирующих в него.

Наблюдение за эффектами водорода в металле

Тасан говорит, что водород из электролита «диффундирует до самого верха» металла, где можно увидеть его влияние. Базовая конструкция этой замкнутой системы может также использоваться в других типах вакуумных приборов для обнаружения других свойств. «Это уникальная установка. Насколько нам известно, единственная в мире, которая может реализовать нечто подобное», — говорит он.

Изображения электронного микроскопа показывают накопление водорода в кристаллической структуре титанового сплава. Изображения показывают, как водород, изображенный синим цветом, преимущественно мигрирует в границы раздела между кристаллическими зернами в металле. Предоставлено исследователями.

В своих первоначальных испытаниях трех разных металлов — двух разных видов нержавеющей стали и титанового сплава — исследователи уже сделали некоторые новые выводы. Например, они наблюдали процесс образования и роста наноразмерной гидридной фазы в наиболее часто используемом титановом сплаве при комнатной температуре и в режиме реального времени .

Разработка герметичной системы имела решающее значение для обеспечения работоспособности процесса. По словам Тасана, электролит, необходимый для зарядки металла водородом, «немного опасен для микроскопа». «Если образец выйдет из строя и электролит попадет в камеру микроскопа», он может глубоко проникнуть в каждый закоулок устройства и его будет трудно очистить. По его словам, когда пришло время провести свой первый эксперимент на специализированном и дорогостоящем оборудовании, «мы были взволнованы, но в то же время очень нервничали. Маловероятно, что произойдет сбой, но всегда есть этот страх».

Kaneaki Tsuzaki, выдающийся профессор химического машиностроения в Университете Кюсю в Японии, который не участвовал в этом исследовании, говорит, что это «может быть ключевым методом для решения того, как водород влияет на движение дислокации. Это очень сложно, потому что кислотный раствор для водорода катодный зарядка циркулирует в камере SEM. Это одно из самых опасных измерений для машины. В случае утечки из циркуляционных швов из-за раствора кислоты сломается очень дорогой сканирующий электронный микроскоп (SEM). Очень осторожная конструкция и для изготовления этого измерительного оборудования необходимы очень высокие настройки. »

Цузаки добавляет, что «как только это будет достигнуто, выходы по этому методу будут супер. У него очень высокое пространственное разрешение благодаря SEM; он дает наблюдения на месте в хорошо контролируемой атмосфере водорода». В результате, по его словам, он считает, что Тасан и Ким «получат новые данные о дислокационном движении с помощью водорода этим новым методом, решат механизм механической деградации, вызванной водородом, и разработают новые водородостойкие материалы».



Новости партнеров

Загрузка...