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En observant les effets de l'hydrogène dans le métal

Hydrogène, le deuxième plus petit de tous les atomes, peuvent pénétrer directement dans la structure cristalline d'un métal solide. Voilà de bonnes nouvelles pour les efforts pour stocker le carburant d'hydrogène en toute sécurité dans le métal lui-même, mais il est de mauvaises nouvelles pour des structures telles que les récipients sous pression dans les centrales nucléaires, où l'absorption d'hydrogène rend éventuellement les parois métalliques du navire plus fragile, ce qui peut conduire à l'échec. Mais ce processus est difficile de fragilisation observer parce que les atomes d'hydrogène diffuse très rapide, même à l'intérieur du métal solide.

Cette illustration représente les principaux éléments du système, l'équipe a utilisé: La dalle multicolore au centre est la couche de métal étant étudié, la région bleu pâle à gauche est la solution d'électrolyte utilisée comme source d'hydrogène, les petits points bleus sont des atomes d'hydrogène, et les faisceaux laser vert à droite sondent le processus. Le grand cylindre à droite est une sonde utilisée pour mettre en retrait du métal à tester ses propriétés mécaniques. Avec l'aimable autorisation des chercheurs

À présent, les chercheurs du MIT ont trouvé un moyen de contourner ce problème, la création d'une nouvelle technique qui permet l'observation d'une surface métallique lors de la pénétration d'hydrogène. Leurs résultats sont décrits dans un article paru aujourd'hui dans le Journal international de l'énergie de l'hydrogène, par le MIT postdoc Jinwoo Kim et Thomas B. Roi Professeur adjoint de la métallurgie C. cem Tasan.

« Il est sans aucun doute un outil cool,» Dit Chris San Marchi, un membre distingué du personnel technique aux laboratoires nationaux Sandia, qui n'a pas été impliqué dans ce travail. « Cette nouvelle plate-forme d'imagerie a le potentiel de répondre à certaines questions intéressantes sur le transport de l'hydrogène et le piégeage dans des matériaux, et potentiellement sur le rôle des constituants de cristallographie et des microstructures sur le processus de fragilisation « .

carburant d'hydrogène est considéré comme un outil potentiellement important pour limiter le changement climatique mondial, car il est un carburant à haute énergie qui pourrait éventuellement être utilisé dans les voitures et les avions. toutefois, sont nécessaires et coûteux lourds réservoirs à haute pression pour contenir. Stockage du carburant dans le réseau cristallin du métal lui-même pourrait être moins cher, plus léger, et plus sûr - mais d'abord le processus de la façon dont l'hydrogène entre et sort le métal doit être mieux comprise.

« L'hydrogène peut diffuser à des taux relativement élevés dans le métal, car il est si petit,» Dit Tasan. « Si vous prenez un métal et le mettre dans un environnement riche en hydrogène, il l'absorption de l'hydrogène, ce qui provoque la fragilisation par l'hydrogène," il dit. En effet, les atomes d'hydrogène ont tendance à séparer dans certaines parties du réseau cristallin du métal, affaiblissant ses liaisons chimiques.

La nouvelle façon d'observer le processus de fragilisation comme il arrive peut aider à révéler comment se déclenche la fragilisation, et il peut suggérer des façons de ralentir le processus - ou de l'éviter en concevant des alliages qui sont moins vulnérables à la fragilisation.

San Marchi Sandia dit que « cette méthode peut jouer un rôle important - en coordination avec d'autres techniques et simulation - pour éclairer les interactions hydrogène défaut qui conduisent à fragilisation par l'hydrogène. Avec la compréhension plus complète des mécanismes de fragilisation par l'hydrogène, matériaux et microstructures peuvent être conçus pour améliorer leurs performances dans des environnements extrêmes d'hydrogène « .

La clé pour le nouveau processus de suivi a été concevant un moyen d'exposer des surfaces de métal à un environnement d'hydrogène, tandis que l'intérieur de la chambre à vide d'un microscope électronique à balayage (SEM). Parce que le SEM nécessite un vide pour son fonctionnement, de l'hydrogène gazeux ne peut pas être chargé dans le métal à l'intérieur de l'instrument, et si préchargées, le gaz diffuse rapidement. Au lieu, les chercheurs ont utilisé un électrolyte liquide qui pourrait être contenu dans une chambre bien scellée, où il est exposé à la face inférieure d'une feuille mince de métal. La partie supérieure du métal est exposé au faisceau électronique SEM, qui peut ensuite sonder la structure du métal et d'observer les effets des atomes d'hydrogène migrer dans ce.

L'hydrogène de l'électrolyte « se diffuse tout au long de la partie supérieure » du métal, où ses effets sont visibles, Tasan dit. La conception de base de ce système pourrait être contenu utilisé dans d'autres types d'instruments à base vide pour détecter les autres propriétés. « Il est une configuration unique,. Pour autant que nous sachions, le seul dans le monde qui peut réaliser quelque chose comme ça," il dit.

Dans leurs premiers essais de trois métaux différents - deux types différents d'acier inoxydable et un alliage de titane - les chercheurs ont déjà fait des nouvelles découvertes. Par exemple, ils ont observé la formation et le processus de croissance d'une phase hydrure nanométrique dans le plus couramment utilisé en alliage de titane, à la température ambiante et en temps réel.

Conception d'un système était crucial pour étanche faire fonctionner le processus. L'électrolyte nécessaire pour charger le métal avec de l'hydrogène, « Est un peu dangereux pour le microscope,» Dit Tasan. « Si l'échantillon échoue et l'électrolyte est libéré dans la chambre de microscope,» Il pourrait pénétrer loin dans tous les coins et recoins de l'appareil et être difficile à nettoyer. Lorsque le temps est venu pour mener à bien leur première expérience dans l'équipement spécialisé et coûteux, il dit, « Nous étions ravis, mais aussi très nerveux. Il est peu probable que l'échec allait avoir lieu, mais il y a toujours cette peur « .

Kaneaki Tsuzaki, un éminent professeur de génie chimique à l'Université de Kyushu au Japon, qui n'a pas participé à cette recherche, dit que ce « pourrait être une technique clé pour résoudre la façon dont l'hydrogène affecte le mouvement de dislocation. Il est très difficile, car une solution acide pour le chargement cathodique de l'hydrogène circule dans une chambre SEM. Il est l'une des mesures les plus dangereuses pour la machine. Si les joints de circulation fuite, un microscope électronique à balayage très coûteux (SEM) serait rompu en raison de la solution acide. Une conception très soignée et une configuration très haut niveau de compétences sont nécessaires pour la fabrication de cet appareil de mesure « .

Tsuzaki ajoute que « une fois qu'il est accompli, sorties par cette méthode serait super. Il a une très haute résolution spatiale en raison de SEM; il donne des observations in situ sous atmosphère d'hydrogène bien contrôlée. » En conséquence, il dit, il croit que Tasan et Kim « vont obtenir de nouveaux résultats du mouvement de dislocation par l'hydrogène par cette nouvelle méthode, régler le mécanisme de dégradation mécanique induite par l'hydrogène, et de développer de nouveaux matériaux résistant à l'hydrogène « .


La source: http://news.mit.edu, par David L. shipchandler

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