Højtemperaturenheder fremstillet af film, der bøjer, når de trækker vejret

Udførelse af vedligeholdelsesopgaver inde i et atomkraftværk medfører store belastninger på udstyr, på grund af ekstreme temperaturer, der er svære for komponenter at udholde uden at forringe. Nu, forskere på MIT og andre steder er kommet med en radikalt ny måde at lave aktuatorer på, der kan bruges i så ekstremt varme miljøer.

Systemet er afhængigt af oxidmaterialer, der ligner dem, der bruges i mange af nutidens genopladelige batterier, ved at ioner bevæger sig ind og ud af materialet under opladnings- og afladningscyklusser. Uanset om ionerne er lithiumioner, for litiumionbatterier, eller iltioner, for oxidmaterialerne, deres reversible bevægelse får materialet til at ekspandere og trække sig sammen.

Sådan ekspansion og sammentrækning kan være et stort problem, der påvirker batteriets eller brændselscellens levetid, da de gentagne ændringer i volumen kan forårsage revner, potentielt kan føre til kortslutninger eller forringet ydeevne. Men for høj temperatur aktuatorer, disse volumenændringer er et ønsket resultat frem for en uønsket bivirkning.

Resultaterne er beskrevet i en rapport, der vises i denne uge i journalen Naturmaterialer , af Jessica Swallow, en MIT -kandidatstuderende; Krystyn Van Vliet, Michael (1949) og Sonja Koerner, professor i materialevidenskab og teknik; Harry Tuller, professor i materialevidenskab og teknik; og fem andre.

"Det mest interessante ved disse materialer er, at de fungerer ved temperaturer over 500 grader Celsius, "Swallow forklarer. Det tyder på, at deres forudsigelige bøjningsbevægelser kan udnyttes, for eksempel, til vedligeholdelsesrobotik inde i en atomreaktor, eller aktuatorer inde i jetmotorer eller rumfartøjsmotorer.

Ved at koble disse oxidmaterialer med andre materialer, hvis dimensioner forbliver konstante, det er muligt at lave aktuatorer, der bøjer, når oxidet ekspanderer eller trækker sig sammen. Denne handling ligner den måde, bimetalliske strimler fungerer på i termostater, hvor opvarmning får et metal til at ekspandere mere end et andet, der er bundet til det, fører den bundne strimmel til at bøje. Til disse tests, forskerne brugte en forbindelse kaldet PCO, for praseodym-dopet ceriumoxid.

Konventionelle materialer, der bruges til at skabe bevægelse ved at anvende elektricitet, såsom piezoelektriske enheder, fungerer ikke nær så godt ved så høje temperaturer, så det nye system kunne åbne et nyt område af højtemperaturfølere og aktuatorer. Sådanne anordninger kan bruges, for eksempel, at åbne og lukke ventiler i disse varme miljøer, siger forskerne.

Van Vliet siger, at fundet blev muliggjort som følge af en høj opløsning, sondebaseret mekanisk målesystem til forhold ved høj temperatur, som hun og hendes kolleger har udviklet gennem årene. Systemet leverer "præcisionsmålinger af materialebevægelse, der her relaterer sig direkte til iltniveauer, " hun siger, gør det muligt for forskere at måle nøjagtigt, hvordan iltet cykler ind og ud af metaloxidet.

For at foretage disse målinger, forskere begynder med at deponere et tyndt lag metaloxid på et substrat, brug derefter detektionssystemet, som kan måle små forskydninger på en nanometer skala, eller milliarddele af en meter. "Disse materialer er specielle, " hun siger, "fordi de 'indånder' ilt ind og ud, og ændre lydstyrke, og det får substratet til at bøje. "

Mens de demonstrerede processen ved hjælp af en bestemt oxidforbindelse, forskerne siger, at resultaterne i vid udstrækning kunne gælde for en række forskellige oxidmaterialer, og endda til andre slags ioner ud over ilt, bevæger sig ind og ud af oxidlaget.

Disse fund "er meget betydningsfulde, da de demonstrerer og forklarer den kemiske ekspansion af tynde film ved høje temperaturer, "siger Holger Fritze, en professor ved

Clausthal University of Technology i Tyskland, som ikke var involveret i dette arbejde. "Sådanne systemer viser stor belastning i sammenligning med andre høje temperaturstabile materialer, derved muliggøre nye applikationer, herunder højtemperaturaktuatorer, " han siger.

"Den fremgangsmåde, der bruges her, er meget ny, "siger Brian Sheldon, professor i teknik ved Brown University, som heller ikke var involveret i denne forskning. "Som forfatterne har påpeget, denne tilgang kan give oplysninger, der adskiller sig fra dem, der opnås med andre metoder, der bruges til at undersøge kemisk ekspansion. "

Dette arbejde har to vigtige funktioner, Sheldon siger:Det giver vigtige grundlæggende oplysninger om den kemiske ekspansion af sådanne materialer, og det åbner muligheden for nye former for højtemperaturaktuatorer. "Jeg synes, at begge dele er meget vigtige præstationer, " han siger.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.