Die Beobachtung der Auswirkungen von Wasserstoff in Metall

Wasserstoff, die zweit kleinste aller Atome, kann direkt in die Kristallstruktur eines massiven Metall eindringen. Das sind gute Nachrichten für die Bemühungen zur Speicherung von Wasserstoff als Kraftstoff sicher im Metall selbst, aber es ist eine schlechte Nachricht für Strukturen wie den Druckbehältern in Kernkraftwerken, wo die Wasserstoffaufnahme macht schließlich die Metallwände des Schiffes spröder, was zu einem Ausfall führen kann. Aber diese Versprödung Prozess ist schwierig zu beobachten, da Wasserstoffatome sehr schnell diffundieren, sogar innerhalb des massiven Metalls.

Diese Abbildung zeigt die wichtigsten Elemente des Systems das Team verwendet: Die mehrfarbige Platte in der Mitte ist die Metallschicht untersucht,, Der hellblaue Bereich auf der linken Seite ist die Elektrolytlösung als Quelle für Wasserstoff verwendet, die kleinen blauen Punkte sind die Wasserstoffatome, und die grünen Laserstrahlen sind im rechten Sondieren der Prozess. Der große Zylinder am rechten Seite ist eine Sonde verwendet, um das Metall einrücken seine mechanischen Eigenschaften zu testen. Mit freundlicher Genehmigung der Forscher

Jetzt, Forscher am MIT haben einen Weg, um dieses Problem heraus, während der Wasserstoffpenetration zu schaffen, eine neue Technik, die die Beobachtung einer Metalloberfläche ermöglicht. Ihre Ergebnisse sind in einem Papier beschrieben heute erscheint in der International Journal of Hydrogen Energy, von MIT Postdoc Jinwoo Kim und Thomas B. König Assistant Professor für Metallurgie C. Cem Tasan.

„Es ist definitiv ein cooles Tool,“Sagt Chris San Marchi, ein angesehenes Mitglied des technischen Personals an den Sandia National Laboratories, die nicht an dieser Arbeit beteiligt. „Diese neue Imaging-Plattform hat das Potenzial, einige interessante Fragen über Wasserstofftransport zu adressieren und Trapping in Materialien, und möglicherweise über die Rolle der Kristallographie und Gefügebestandteile auf der Versprödung Prozess.“

Wasserstoff als Kraftstoff ist ein potenziell wichtiges Instrument zur Begrenzung des globalen Klimawandels betrachtet, da es sich um eine Hochenergie-Kraftstoff ist, die schließlich in Autos und Flugzeugen verwendet werden könnten,. jedoch, teure und schwere Hochdrucktanks, sie zu enthalten sind erforderlich. Das Speichern des Kraftstoffs in dem Kristallgitter des Metalls selbst könnte billiger sein, Feuerzeug, und sicherer - aber zuerst der Prozess, wie Wasserstoff betritt und verläßt das Metall muss besser verstanden werden,.

„Wasserstoff kann mit relativ hohen Geschwindigkeiten im Metall diffundiert, denn es ist so klein,,“Tasan sagt. „Wenn Sie ein Metall nehmen und es in einer wasserstoffreichen Umgebung, es wird die Wasserstoffaufnahme, und dies führt zu einer Wasserstoffversprödung," er sagt. Das ist, weil die Wasserstoffatome dazu neigen, in bestimmten Teilen des Metallkristallgitters entmischen, eine Schwächung der chemischen Bindungen.

Der neue Weg, um die Versprödung Prozess zu beobachten, wie es geschieht kann helfen, zeigen, wie die Versprödung ausgelöst wird, und es kann Möglichkeiten aufzeigen, um den Prozess der Verlangsamung - oder es zu lassen, indem Legierungen Gestaltung, die weniger anfällig für Versprödung.

Sandia San Marchi sagt, dass „diese Methode kann eine wichtige Rolle spielen - in Abstimmung mit anderen Techniken und Simulation -, um den Wasserstoff-Defekt Wechselwirkungen zu beleuchten, der Wasserstoffversprödung führt. Mit umfassenderes Verständnis der Mechanismen der Wasserstoffversprödung, Materialien und Mikrostrukturen können ihre Leistung unter extremen Wasserstoff-Umgebungen verbessern entworfen werden.“

Der Schlüssel für die neuen Überwachungsverfahren wurde die Ausarbeitung eine Art und Weise Metalloberflächen zu einer Wasserstoffumgebung, während im Innern der Vakuumkammer eines Rasterelektronenmikroskops des Aussetzens (SEM). Da die SEM erfordert ein Vakuum für den Betrieb, Wasserstoffgas kann nicht in das Metall im Inneren des Instruments berechnet, und wenn voraufgeladen, Das Gas diffundiert schnell heraus. Stattdessen, Die Forscher verwendeten einen flüssigen Elektrolyten, die in einer gut abgedichteten Kammer enthalten sein,, wo sie an der Unterseite einer dünnen Platte aus Metall ausgesetzt. Die Oberseite des Metalls ist mit dem SEM Elektronenstrahl ausgesetzt, die dann die Struktur der Metallsonde und beobachten, die Wirkungen der Wasserstoffatome in sie migrieren.

Der Wasserstoff aus dem Elektrolyten „diffundiert den ganzen Weg bis zum oberen“ des Metall, wo seine Auswirkungen sind zu sehen,, Tasan sagt. Der grundsätzliche Aufbau dieses geschlossenen Systems könnte auch in anderen Arten von vakuumbasierten Instrumenten verwendet werden, um andere Eigenschaften zu erfassen,. „Es ist eine einzigartige Einrichtung. So weit wir wissen, die einzige in der Welt, die so etwas wie dies realisieren kann," er sagt.

In ihren ersten Tests von drei verschiedenen Metallen - zwei verschiedener Arten von rostfreiem Stahl und einer Titanlegierung - haben die Forscher bereits einige neue Erkenntnisse. Beispielsweise, sie beobachtete, um die Bildung und das Wachstum Prozess eines nanoskaligen Hydridphase in der am häufigsten verwendeten Titanlegierung, bei Raumtemperatur und in Echtzeit.

eine dichte System Konzeption war von entscheidender Bedeutung, den Prozess der Arbeit zu machen. Der Elektrolyt erforderlich, um das Metall mit Wasserstoff aufzuladen, „Ist ein bisschen gefährlich für das Mikroskop,“Tasan sagt. „Wenn die Probe versagt, und der Elektrolyt wird in die Mikroskopkammer freigegeben,“Könnte es weit in allen Ecken und Enden des Geräts eindringen und schwer zu reinigen. Als die Zeit kam ihr erstes Experiment in der spezialisierten und teueren Ausrüstung durchzuführen, er sagt, "wir waren aufgeregt, aber auch sehr nervös. Es war unwahrscheinlich, dass ein Scheitern würde zu, aber es gibt immer die Angst.“

Kaneaki Tsuzaki, ein angesehener Professor für Chemieingenieurwesen an der Kyushu Universität in Japan, die nicht in dieser Forschung beteiligt, sagt dies „eine Schlüsseltechnik könnte zu lösen, wie Wasserstoff Versetzungsbewegung beeinflusst. Es ist sehr schwierig, weil eine Säurelösung für Wasserstoff kathodische Ladung in eine SEM Kammer zirkulierende. Es ist eines der gefährlichsten Messungen für die Maschine. Wenn die Zirkulationsverbindungen undicht, ein sehr teures Rasterelektronenmikroskops (SEM) würde aufgrund der Säurelösung aufgebrochen werden,. Eine sehr sorgfältige Gestaltung und eine sehr hochqualifizierte Einrichtung ist für die Herstellung dieser Messtechnik notwendig.“

Tsuzaki fügt hinzu, dass „sobald es erreicht wird,, Ausgänge von dieser Methode wäre super. Es hat eine sehr hohe räumliche Auflösung durch SEM; es gibt in-situ Beobachtungen unter einer gut kontrollierten Wasserstoffatmosphäre.“Als Ergebnis, er sagt, er glaubt, dass Tasan und Kim „neue Erkenntnisse durch diese neue Methode Wasserstoff-unterstützte Versetzungsbewegung erhalten werden, lösen, den Mechanismus der Wasserstoff-induzierten mechanischen Abbau, und die Entwicklung neuer Wasserstoff beständigen Materialien.“

Quelle: http://news.mit.edu, von David L. krämer