Ny keramik lover varmere gasturbiner, der producerer mere strøm

Skoltech-forskere har identificeret lovende keramiske materialer til metalbelægninger, der ville øge gasturbinernes effektivitet. Hvis yderligere eksperimentelle test viser sig at være vellykkede, vil belægningerne gøre det muligt for kraftværker at producere mere elektricitet og jetfly til at forbruge mindre brændstof. Med materialeopdagelsesteknikken afprøvet og testet, agter forskerne at fortsætte søgningen og finde flere kandidater med måske endnu bedre egenskaber. Undersøgelsen er publiceret i Physical Review Materials .

Termiske barrierebelægninger bruges til at beskytte turbinevinger på kraftværker og i jetmotorer. Selve knivene er lavet af nikkelbaserede superlegeringer. Disse tilbyder en fantastisk kombination af høj temperatur styrke, sejhed og modstand mod nedbrydning. Men da tingene bliver rigtig varme, bliver superlegeringen blød og kan endda smelte. Beskyttende belægninger gør det muligt at drive turbiner ved højere temperaturer uden at gå på kompromis med deres integritet. Og i dette tilfælde betyder højere temperatur større effektivitet.

"Termiske barrierebelægninger er i dag lavet af yttria-stabiliseret zirconia, men hvis et materiale med bedre egenskaber blev brugt i stedet, ville det give dig mulighed for at få mere nyttig kraft ud af turbinen," siger studiets medforfatter, professor Artem R. Oganov. der leder Material Discovery Laboratory på Skoltech.

"For at finde sådanne materialer skal du først komme med kandidater, hvis egenskaber du forudsiger beregningsmæssigt. Vi har testet en række metoder og bestemt de bedste af dem til at beregne de relevante materialeegenskaber, især termisk ledningsevne. I papiret lister vi nogle lovende kandidater, men vi bliver ved med at lede."

Et materiale til termiske barrierebelægninger skal opfylde flere krav. Det skal have et meget højt smeltepunkt og en meget lav varmeledningsevne. Sidstnævnte egenskab er særlig svær at beregne, fordi den afhænger af de indviklede "anharmoniske" effekter i krystaller. Når det opvarmes, bør materialet også udvide sig med omtrent samme hastighed som superlegeringen, ellers vil det flage af overfladen.

Materialet bør ikke gennemgå nogen faseovergange mellem stuetemperatur og turbinens driftstemperatur, hvilket vil få belægningen til at revne. Det bør også modstå virkningerne af støvpartikler og oxygen ved høje temperaturer og forhindre oxygenioner i at nå det underliggende metal og oxidere det.

"Mens vi beregnede de andre egenskaber, er kernen i problemet at forudsige termisk ledningsevne," siger studiets medforfatter, Skoltech Ph.D. elev Majid Zerati. "Vi viste, at sådanne forudsigelser er beregningsmæssigt gennemførlige og rimeligt nøjagtige med homogene simuleringer af molekylær dynamik uden ligevægt. Dette viser sig noget uventet, da sådanne simuleringer involverer en enorm mængde beregninger og omfattende statistikker, hvilket resulterer i høj beregningsmæssig kompleksitet.

"Alligevel formåede vi at forenkle metoden ved at supplere den med maskinlæringspotentialer:Det vil sige, at interaktionerne mellem atomerne blev forudsagt ved hjælp af kunstig intelligens, i stedet for at blive direkte beregnet."

Skoltech-undersøgelsen fremhæver allerede en række materialer, der lover at overgå den nuværende mester, yttria-stabiliseret zirconia, den nuværende mester. Blandt dem er yttriumniobat (Y₃ NbO₇ ), perovskitstrukturerne BaLaMgTaO₆ og BaLaMgNbO₆ og yderligere syv materialer. Når det er sagt, planlægger teamet at fortsætte sin beregningsmæssige søgning for at identificere mulige sikkerhedskopieringsmuligheder og de potentielt bedre kandidater, der stadig er derude.

Flere oplysninger: Majid Zeraati et al., Søgning efter materialer med lav termisk ledningsevne til termiske barrierebelægninger:En teoretisk tilgang, Physical Review Materials (2024). DOI:10.1103/PhysRevMaterials.8.033601

Leveret af Skolkovo Institute of Science and Technology