Observation af brinteffekter i metal

Brint, det næstmindste af alle atomer, kan trænge helt ind i krystalstrukturen af ​​et solidt metal.

Det er gode nyheder for bestræbelserne på at opbevare brintbrændstof sikkert i selve metallet, men det er dårlige nyheder for strukturer som trykbeholdere i atomkraftværker, hvor brintoptagelse til sidst gør karrets metalvægge mere sprøde, hvilket kan føre til fiasko. Men denne skørhedsproces er svær at observere, fordi brintatomer diffunderer meget hurtigt, selv inde i det solide metal.

Nu, forskere ved MIT har fundet ud af en vej rundt om det problem, skabe en ny teknik, der tillader observation af en metaloverflade under brintpenetrering. Deres resultater er beskrevet i et papir, der vises i dag i International Journal of Hydrogen Energy , af MIT postdoc Jinwoo Kim og Thomas B. King Adjunkt i metallurgi C. Cem Tasan.

"Det er bestemt et fedt værktøj, " siger Chris San Marchi, et fremtrædende medlem af det tekniske personale på Sandia National Laboratories, som ikke var involveret i dette arbejde. "Denne nye billedplatform har potentiale til at løse nogle interessante spørgsmål om brinttransport og fangst i materialer, og potentielt om rollen af ​​krystallografi og mikrostrukturelle bestanddele på skørhedsprocessen."

Brintbrændstof betragtes som et potentielt vigtigt værktøj til at begrænse de globale klimaændringer, fordi det er et højenergibrændstof, der med tiden kan bruges i biler og fly. Imidlertid, der skal dyre og tunge højtrykstanke til for at indeholde det. Opbevaring af brændstoffet i selve metallets krystalgitter kunne være billigere, lettere, og sikrere – men først skal processen med, hvordan brint kommer ind og ud af metallet, forstås bedre.

"Brint kan diffundere med relativt høje hastigheder i metallet, fordi den er så lille, " siger Tasan. "Hvis du tager et metal og anbringer det i et brintrigt miljø, det vil optage brinten, og dette forårsager brintskørhed, " siger han. Det er fordi brintatomerne har en tendens til at adskille sig i visse dele af metalkrystalgitteret, svækkelse af dets kemiske bindinger.

Den nye måde at observere skørhedsprocessen, mens den sker, kan være med til at afsløre, hvordan skørheden udløses, og det kan foreslå måder at bremse processen - eller undgå den ved at designe legeringer, der er mindre sårbare over for skørhed.

Sandias San Marchi siger, at "denne metode kan spille en vigtig rolle - i koordinering med andre teknikker og simulering - for at belyse de brint-defekt-interaktioner, der fører til brintskørhed. Med en mere omfattende forståelse af mekanismerne bag brintskørhed, materialer og mikrostrukturer kan designes til at forbedre deres ydeevne under ekstreme brintmiljøer."

Nøglen til den nye overvågningsproces var at udtænke en måde at udsætte metaloverflader for et brintmiljø, mens de var inde i vakuumkammeret i et scanningselektronmikroskop (SEM). Fordi SEM'en kræver et vakuum for dens drift, brintgas kan ikke lades ind i metallet inde i instrumentet, og hvis forladet, gassen diffunderer hurtigt ud. I stedet, forskerne brugte en flydende elektrolyt, der kunne være indeholdt i et godt forseglet kammer, hvor den er udsat for undersiden af ​​en tynd metalplade. Toppen af ​​metallet er udsat for SEM elektronstrålen, som derefter kan undersøge metallets struktur og observere virkningerne af brintatomerne, der migrerer ind i det.

Brinten fra elektrolytten "diffunderer hele vejen igennem til toppen" af metallet, hvor dets virkninger kan ses, siger Tasan. Det grundlæggende design af dette indeholdte system kan også bruges i andre former for vakuumbaserede instrumenter til at detektere andre egenskaber. "Det er et unikt setup. Så vidt vi ved, den eneste i verden, der kan realisere noget som dette, " han siger.

Elektronmikroskopbilleder viser opbygningen af ​​brint i krystalstrukturen af ​​en titanlegering. Billederne afslører hvordan brint, afbildet i blåt, migrerer fortrinsvis ind i grænsefladerne mellem krystalkorn i metallet. Høflighed af forskerne.

I deres indledende test af tre forskellige metaller - to forskellige slags rustfrit stål og en titanlegering - har forskerne allerede gjort nogle nye resultater. For eksempel, de observerede dannelsen og vækstprocessen af ​​en nanoskala hydridfase i den mest almindeligt anvendte titanlegering, ved stuetemperatur og i realtid.

At udtænke et tæt system var afgørende for at få processen til at fungere. Den elektrolyt, der skal til for at lade metallet med brint, "er lidt farligt for mikroskopet, " siger Tasan. "Hvis prøven fejler, og elektrolytten frigives i mikroskopkammeret, " det kunne trænge langt ind i alle afkroge af enheden og være svært at rense ud. Da tiden kom til at udføre deres første eksperiment med det specialiserede og dyre udstyr, han siger, "Vi var spændte, men også rigtig nervøs. Det var usandsynligt, at fiasko ville finde sted, men der er altid den frygt."

Kaneaki Tsuzaki, en fremtrædende professor i kemiteknik ved Kyushu University i Japan, som ikke var involveret i denne forskning, siger, at dette "kunne være en nøgleteknik til at løse, hvordan brint påvirker dislokationsbevægelse. Det er meget udfordrende, fordi en syreopløsning til katodisk brintladning cirkulerer ind i et SEM-kammer. Det er en af ​​de farligste målinger for maskinen. Hvis cirkulationen samlinger utæt, et meget dyrt scanningselektronmikroskop (SEM) ville gå i stykker på grund af syreopløsningen. Et meget omhyggeligt design og en meget høj dygtighed er nødvendig for at fremstille dette måleudstyr."

Tsuzaki tilføjer, at "når det er gennemført, output ved denne metode ville være super. Den har meget høj rumlig opløsning på grund af SEM; det giver in-situ observationer under en velkontrolleret brintatmosfære." Som et resultat, han siger, han mener, at Tasan og Kim "vil opnå nye resultater af hydrogen-assisteret dislokationsbevægelse ved denne nye metode, løse mekanismen bag brint-induceret mekanisk nedbrydning, og udvikle nye brint-resistente materialer."

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.