Waarnemen van de effecten van waterstof in metalen

Waterstof, de tweede kleinste van alle atomen, kan doordringen tot in de kristalstructuur van een massief metalen. Dat is goed nieuws voor de inspanningen om de brandstof op te slaan waterstof veilig binnen de metaal zelf, maar het is slecht nieuws voor structuren zoals de drukvaten in kerncentrales, waarbij waterstofopname maakt uiteindelijk het vaartuig metalen wanden brosser, wat kan leiden tot falen. Maar deze verbrossing proces is moeilijk waar te nemen omdat waterstofatomen diffunderen zeer snel, zelfs in de vaste metalen.

Deze illustratie toont de belangrijkste elementen van het systeem gebruikte het team: De veelkleurige plaat in het midden is de metaallaag bestudeerd, het lichtblauwe gebied links is de elektrolytoplossing gebruikt als een waterstofbron, de kleine blauwe stippen waterstofatomen, en de groene laserstralen op rechts zijn indringende het proces. De grote cilinder rechts is een probe gebruikt om het metaal inspringen om de mechanische eigenschappen te testen. Met dank aan de onderzoekers

Nu, onderzoekers van het MIT hebben bedacht een manier om dat probleem, een nieuwe techniek die de waarneming van een metaaloppervlak toelaat tijdens waterstof penetratie. Hun bevindingen zijn beschreven in een paper verschijnt vandaag in de International Journal of Hydrogen Energy, door MIT postdoc Jinwoo Kim en Thomas B. Koning Universitair docent van de Metaalbewerking C. Cem Tasan.

“Het is zeker een koele hulpmiddel,”Zegt Chris San Marchi, een prominent lid van de technische staf bij Sandia National Laboratories, die niet betrokken was bij dit werk. “Deze nieuwe imaging platform heeft het potentieel om een ​​aantal interessante vragen over het vervoer van waterstof aan te pakken en de vangst in materialen, en mogelijk over de rol van kristallografie en microstructurele bestanddelen op de verbrossing proces.”

Waterstof brandstof wordt beschouwd als een potentieel belangrijk instrument voor het beperken van de wereldwijde klimaatverandering, want het is een high-energy brandstof die uiteindelijk zou kunnen worden gebruikt in auto's en vliegtuigen. Echter, dure en zware hogedruktanks nodig om het te bevatten. Opslaan van de brandstof in het kristalrooster van het metaal zelf kan goedkoper, aansteker, en veiliger - maar eerst het proces van hoe waterstof binnenkomt en verlaat het metaal moet worden beter begrepen.

“Waterstof kan diffunderen relatief hoog in het metaal, omdat het zo klein,”Tasan zegt. “Als je een metalen en zet het in een waterstof-rijke omgeving, zal de waterstofopname, en dit veroorzaakt waterstofbrosheid," hij zegt. Dat komt omdat de waterstofatomen neigen te segregeren in bepaalde delen van het metaal kristalrooster, verzwakking van de chemische bindingen.

De nieuwe manier van observeren van de bros proces als het gebeurt kan helpen te onthullen hoe de bros wordt geactiveerd, of voorkomen door het ontwerpen van legeringen die minder gevoelig zijn voor bros zijn - en kan manieren vertraagt ​​het proces suggereren.

Sandia San Marchi zegt dat “deze werkwijze een belangrijke rol kunnen spelen - in samenhang met andere technieken en simulatie - waarbij de H-defect interacties die tot waterstofbrosheid verlichten. Met meer omvattend begrip van de mechanismen van waterstofbrosheid, materialen en microstructuren kunnen worden ontworpen om hun prestaties onder extreme waterstof-omgevingen te verbeteren.”

De sleutel tot het nieuwe bewakingsproces werd bedenken een manier metaaloppervlakken blootgesteld aan een waterstofomgeving terwijl binnen de vacuümkamer van een rasterelektronenmicroscoop (SEM). Omdat de SEM vereist een vacuüm gedurende de werking, waterstofgas kan niet worden geladen in de metalen onderdelen in het instrument, en als voorgeladen, het gas verspreidt zich snel. In plaats daarvan, de onderzoekers een vloeibare elektrolyt die kunnen worden opgenomen in een goed afgedichte kamer, wanneer het wordt blootgesteld aan de onderzijde van een dunne metaalplaat. De bovenkant van het metaal wordt blootgesteld aan de SEM elektronenbundel, die vervolgens kunnen sonde de structuur van het metaal en de effecten van de waterstofatomen migreren erin observeren.

De waterstof uit de elektrolyt “verspreidt helemaal door naar de top” van het metaal, waarbij de effecten zichtbaar, Tasan zegt. Het basisontwerp van dit gesloten systeem kan ook gebruikt worden in andere vormen van vacuüm gebaseerde instrumenten om andere eigenschappen te detecteren. “Het is een unieke opstelling. Zo ver we weten, de enige in de wereld die zoiets kunnen realiseren," hij zegt.

In hun eerste tests van drie verschillende metalen - twee verschillende soorten van roestvrij staal en een titanium legering - de onderzoekers hebben al een aantal nieuwe bevindingen. Bijvoorbeeld, zagen ze de vorming en groeiproces van nanoschaal hydridefase de meest gebruikte titaanlegering, bij kamertemperatuur en in real-time.

Het bedenken van een lekvrij systeem was van cruciaal belang voor het maken van het proces in zijn werk. De elektrolyt die nodig is om het metaal met waterstof opslag, “Is een beetje gevaarlijk voor de microscoop,”Tasan zegt. “Indien het monster niet de elektrolyt wordt vrijgegeven in de microscoop kamer,”Het zou kunnen ver doordringen in alle hoeken en gaten van het apparaat en zijn moeilijk schoon te maken uit. Toen het tijd was hun eerste experiment uit te voeren in de gespecialiseerde en dure apparatuur, hij zegt, “We waren enthousiast, maar ook echt nerveus. Het was niet waarschijnlijk dat het niet zou gaan plaatsvinden, maar er is altijd die angst.”

Kaneaki Tsuzaki, een vooraanstaand hoogleraar chemische technologie aan de Kyushu University in Japan, die niet betrokken was bij het onderzoek, zegt dat dit “kan een belangrijke techniek op te lossen hoe waterstof beïnvloedt ontwrichting beweging. Het is zeer uitdagend omdat een zuuroplossing waterstof kathodische lading circuleert in een kamer SEM. Het is een van de meest gevaarlijke metingen van de machine. Als de circulatie gewrichten lekken, een dure rasterelektronenmicroscoop (SEM) worden gebroken door de zuuroplossing. Een zeer zorgvuldig ontwerp en een zeer hoge vaardigheid setup zijn nodig voor het maken van deze meetapparatuur.”

Tsuzaki voegt eraan toe dat “als het eenmaal is bereikt, uitgangen van deze methode zou zijn super. Het heeft een zeer hoge ruimtelijke resolutie als gevolg van SEM; geeft in-situ waarnemingen onder goed gecontroleerde waterstofatmosfeer.”Als gevolg, hij zegt, hij gelooft dat Tasan en Kim “zal nieuwe bevindingen zijn van waterstof bijgestaan ​​dislocatie beweging te krijgen door deze nieuwe methode, oplossen van het mechanisme van waterstof geïnduceerde mechanische afbraak, en nieuwe waterstof-bestendige materialen.”

Bron: http://news.mit.edu, door David L. kaarsenmaker