Muslingeskals-inspireret sukkerskjold beskytter materialer i fjendtlige miljøer

Ord af et ekstraordinært billigt materiale, let nok til at beskytte satellitter mod affald i kulden i det ydre rum, sammenhængende nok til at styrke væggene i trykbeholdere, der oplever gennemsnitlige forhold på Jorden og alligevel varmebestandigt nok ved 1.500 grader Celsius eller 2.732 grader Fahrenheit til skjoldinstrumenter mod flyvende affald rejser spørgsmålet:hvilket enkelt materiale kunne gøre alt dette?

Svaret, fundet hos Sandia National Laboratories, er sødt som sukker.

Det er, fordi det i virkeligheden er sukker – meget tynde lag af konditorsukker fra købmændene, brændt til en tilstand kaldet kulsort, spredt mellem kun lidt tykkere lag af silica, som er det mest almindelige materiale på Jorden, og bagt. Resultatet ligner en fin lagkage, eller mere præcist, den organiske og uorganiske lagdeling af en muslingeskal, hvor hvert lag hjælper det næste med at begrænse og afbøde chok.

"Et materiale, der kan overleve en række forskellige fornærmelser - mekaniske, stød og røntgenstråler - kan bruges til at modstå barske miljøforhold," sagde Sandia-forsker Guangping Xu, der ledede udviklingen af ​​den nye belægning. "Det materiale har ikke været let tilgængeligt. Vi mener, at vores lagdelte nanokomposit, der efterligner strukturen af ​​en muslingeskal, er det svar."

Mest markant sagde Xu:"Den selvsamlede belægning er ikke kun let og mekanisk stærk, men også termisk stabil nok til at beskytte instrumenter i eksperimentelle fusionsmaskiner mod deres eget genererede affald, hvor temperaturen kan være omkring 1.500 C. Dette var det første fokus af arbejdet."

"Og det er måske kun begyndelsen," sagde konsulent Rick Spielman, seniorforsker og fysikprofessor ved Laboratory for Laser Energetics ved University of Rochester, krediteret for at lede det indledende design af Sandias Z-maskine, en af ​​de destinationer, som nyt materiale er påtænkt. "Der er sikkert hundrede anvendelser, vi ikke har tænkt på." Han forestiller sig mulige elektrodeapplikationer, der forsinker, snarere end blokerer, overfladeelektronemissioner.

Hjælp til den nukleare overlevelsesmission

Belægningen, som kan lægges i lag på en række forskellige underlag uden miljøproblemer, var genstand for en Sandia-patentansøgning i juni 2021, en inviteret tale ved en pulserende kraftkonference i december 2021 og igen i en nylig teknisk artikel i MRS Advances , hvoraf Xu er hovedforfatter.

Arbejdet blev udført i forventning om den øgede afskærmning, der vil være nødvendig for at beskytte testobjekter, diagnostik og drivere inde i fremtidens mere kraftfulde pulserende kraftmaskiner. Sandias pulserende Z-maskine – i øjeblikket den mest kraftfulde producent af røntgenstråler på Jorden – og dens efterfølgere vil helt sikkert kræve endnu større affaldsbeskyttelse mod kræfter, der kan sammenlignes med adskillige dynamitstænger, der eksploderer på tæt hold.

"Den nye afskærmning burde have en positiv indvirkning på vores nukleare overlevelsesmission," sagde papirforfatter og Sandia-fysiker Chad McCoy. "Z er den mest lysstærke røntgenstrålekilde i verden, men mængden af ​​røntgenstråler er kun et par procent af den samlede energi, der frigives. Resten er stød og snavs. Når vi forsøger at forstå, hvordan stof - såsom metaller og polymerer – interagerer med røntgenstråler, vi vil gerne vide, om affald beskadiger vores prøver, har ændret dens mikrostruktur. Lige nu er vi ved grænsen, hvor vi kan beskytte prøvematerialer mod uønskede fornærmelser, men mere kraftfulde testmaskiner vil kræve bedre afskærmning, og denne nye teknologi kan muliggøre passende beskyttelse."

Andre, mindre specialiserede anvendelser er stadig muligheder.

Det billige, miljøvenlige skjold er let nok til at køre ud i rummet som et beskyttende lag på satellitter, fordi der skal relativt lidt materiale til for at opnå samme modstandsdygtighed som tungere, men mindre effektive afskærmninger, der i øjeblikket er i brug for at beskytte mod kollisioner med rumskrammel. "Satelitter i rummet bliver konstant ramt af affald, der bevæger sig med et par kilometer i sekundet, samme hastighed som affald fra Z," sagde McCoy. "Med denne belægning kan vi gøre affaldsskjoldet tyndere, hvilket reducerer vægten."

Tykkere skjoldbelægninger er holdbare nok til at styrke væggene i trykbeholdere, når tilføjede ounces ikke er et problem.

Dramatiske omkostningsreduktioner forventes

Ifølge Guangping er materialeomkostningerne for at fremstille en 2-tommers diameter belægning af det nye beskyttende materiale, 45 milliontedele af en meter og mikrometer tyk, kun 25 cents. I modsætning hertil koster en berylliumwafer - det tætteste match til den nye belægnings termiske og mekaniske egenskaber og i brug på Sandias Z-maskine og andre fusionssteder som beskyttende skjolde - $700 til de seneste markedspriser for en 1-tommers firkant, 23 -mikrontyk wafer, som er 3.800 gange dyrere end den nye film med samme areal og tykkelse.

Begge belægninger kan overleve temperaturer et godt stykke over 1.000 C, men en yderligere overvejelse er, at den nye belægning er miljøvenlig. Kun ethanol tilsættes for at lette belægningsprocessen. Beryllium skaber giftige forhold, og dets omgivelser skal renses for faren efter brug.

Sådan forløb testen

Princippet med at veksle mellem organiske og uorganiske lag, en vigtig faktor i muslingeskallens levetid, er nøglen til at styrke Sandia-belægningen. De organiske sukkerlag, der er brændt til kønrøg, virker som en caulk, sagde Sandia-manager og papirforfatter Hongyou Fan. De forhindrer også revner i at sprede sig gennem den uorganiske silicastruktur og giver lag af dæmpning for at øge dens mekaniske styrke, som det blev rapporteret for 20 år siden i et tidligere Sandia-forsøg på at efterligne muslingeskalstilstanden.

Greg Frye-Mason, Sandia-kampagneleder for Assured Survivability and Agility with Pulsed Power, eller ASAP, Laboratory Directed Research and Development-missionskampagne, der finansierer forskningen, var oprindeligt i tvivl om kulstofindsættelsen.

"Jeg troede, at de organiske lag ville begrænse anvendeligheden, da de fleste nedbrydes med 400 til 500 C," sagde han.

Men da det kulsorte koncept demonstrerede robusthed til langt over 1.000 C, overvandt det positive resultat den største risiko, som Frye-Mason så som projektet stod over for.

Muslingeskallignende belægninger, der oprindeligt blev testet hos Sandia, varierede mellem et par til 13 lag. Disse vekslende materialer blev presset mod hinanden efter at være blevet opvarmet i par, så deres overflader tværbundne. Forsøg viste, at sådanne sammenvævede nanokompositlag af silica med det brændte sukker, kendt som carbon black efter pyrolyse, er 80 % stærkere end silica selv og termisk stabile til anslået 1.650 C. Senere sintringsforsøg viste, at lagene, selvsamlede gennem et spin -coatingprocessen, kunne batchbages, og deres individuelle overflader stadig tværbindes tilfredsstillende, hvilket fjerner det kedelige ved at bage hvert lag. Den mere effektive proces opnåede næsten den samme mekaniske styrke.

Forskning i belægningen var beregnet til at udvikle metoder til at beskytte diagnostik og testprøver på Z og på næste generations pulserende kraftmaskiner mod flyvende affald.

"Denne belægning kvalificerer," sagde Frye-Mason. + Udforsk yderligere

Spray-on coating could make solar panels snow-resistant