Observer effekten av hydrogen i metall

Hydrogen, det nest minste av alle atomer, kan trenge rett inn i krystallstrukturen til et solid metall. Det er gode nyheter for arbeidet med å lagre hydrogendrivstoff trygt i selve metallet, men det er dårlige nyheter for strukturer som trykkbeholdere i kjernekraftverk, hvor hydrogenopptak til slutt gjør fartøyets metallvegger sprøere, som kan føre til fiasko. Men denne sprøhetsprosessen er vanskelig å observere fordi hydrogenatomer diffunderer veldig raskt, selv inne i det solide metallet.

Denne illustrasjonen viser hovedelementene i systemet teamet brukte: Den flerfargede platen i midten er metalllaget som studeres, det lyseblå området til venstre er elektrolyttløsningen som brukes som en kilde til hydrogen, de små blå prikkene er hydrogenatomene, og de grønne laserstrålene til høyre undersøker prosessen. Den store sylinderen til høyre er en sonde som brukes til å rykke inn metallet for å teste dets mekaniske egenskaper. Med tillatelse fra forskerne

Nå, forskere ved MIT har funnet ut en vei rundt det problemet, lage en ny teknikk som tillater observasjon av en metalloverflate under hydrogenpenetrering. Funnene deres er beskrevet i en artikkel som vises i dag i International Journal of Hydrogen Energy, av MIT postdoc Jinwoo Kim og Thomas B. King assisterende professor i metallurgi C. Cem Tasan.

"Det er definitivt et kult verktøy,sier Chris San Marchi, et fremtredende medlem av det tekniske personalet ved Sandia National Laboratories, som ikke var involvert i dette arbeidet. "Denne nye bildeplattformen har potensial til å ta opp noen interessante spørsmål om hydrogentransport og fangst i materialer, og potensielt om rollen til krystallografi og mikrostrukturelle bestanddeler på sprøhetsprosessen."

Hydrogendrivstoff anses som et potensielt viktig verktøy for å begrense globale klimaendringer fordi det er et høyenergidrivstoff som til slutt kan brukes i biler og fly. derimot, det trengs dyre og tunge høytrykkstanker for å inneholde det. Å lagre drivstoffet i krystallgitteret til selve metallet kan være billigere, lighter, og sikrere - men først må prosessen med hvordan hydrogen kommer inn og ut av metallet bli bedre forstått.

"Hydrogen kan diffundere med relativt høye hastigheter i metallet, fordi den er så liten,"Sier Tasan. "Hvis du tar et metall og legger det i et hydrogenrikt miljø, det vil ta opp hydrogenet, og dette forårsaker hydrogensprøhet," han sier. Det er fordi hydrogenatomene har en tendens til å segregere i visse deler av metallkrystallgitteret, svekker dens kjemiske bindinger.

Den nye måten å observere skjørhetsprosessen mens den skjer kan bidra til å avsløre hvordan skjørheten utløses, og det kan foreslå måter å bremse prosessen - eller unngå den ved å designe legeringer som er mindre sårbare for sprøhet.

Sandias San Marchi sier at "denne metoden kan spille en viktig rolle - i koordinering med andre teknikker og simulering - for å belyse hydrogen-defekt-interaksjonene som fører til hydrogensprøhet. Med mer omfattende forståelse av mekanismene for hydrogensprøhet, materialer og mikrostrukturer kan utformes for å forbedre ytelsen deres under ekstreme hydrogenmiljøer."

Nøkkelen til den nye overvåkingsprosessen var å finne ut en måte å eksponere metalloverflater for et hydrogenmiljø mens de var inne i vakuumkammeret til et skanningselektronmikroskop (SEM). Fordi SEM krever et vakuum for driften, hydrogengass kan ikke lades inn i metallet inne i instrumentet, og hvis forhåndsladet, gassen diffunderer raskt ut. I stedet, forskerne brukte en flytende elektrolytt som kunne være inneholdt i et godt forseglet kammer, hvor den er utsatt for undersiden av en tynn metallplate. Toppen av metallet er utsatt for SEM-elektronstrålen, som deretter kan undersøke strukturen til metallet og observere effekten av hydrogenatomene som migrerer inn i det.

Hydrogenet fra elektrolytten "diffunderer hele veien gjennom til toppen" av metallet, hvor effektene kan sees, sier Tasan. Den grunnleggende utformingen av dette inneholdte systemet kan også brukes i andre typer vakuumbaserte instrumenter for å oppdage andre egenskaper. "Det er et unikt oppsett. Så langt vi vet, den eneste i verden som kan realisere noe slikt," han sier.

I sine innledende tester av tre forskjellige metaller - to forskjellige typer rustfritt stål og en titanlegering - har forskerne allerede gjort noen nye funn. For eksempel, de observerte dannelsen og vekstprosessen av en nanoskala hydridfase i den mest brukte titanlegeringen, ved romtemperatur og i sanntid.

Å lage et lekkasjesikkert system var avgjørende for å få prosessen til å fungere. Elektrolytten som trengs for å lade metallet med hydrogen, "er litt farlig for mikroskopet,"Sier Tasan. "Hvis prøven svikter og elektrolytten slippes ut i mikroskopkammeret,” den kan trenge langt inn i hver krok og krok av enheten og være vanskelig å rense ut. Da tiden var inne for å gjennomføre deres første eksperiment i det spesialiserte og kostbare utstyret, dermed dramatisk overvinne lengdebegrensningene som er iboende i nåværende mikrofluidiske enheter, "Vi var spente, men også veldig nervøs. Det var usannsynlig at feilen skulle finne sted, men det er alltid den frykten.»

Kaneaki Tsuzaki, en fremtredende professor i kjemiteknikk ved Kyushu University i Japan, Forskerne understreker at de ikke ser på den nye metoden som en erstatning for dagens mikrofluidikk, sier dette "kan være en nøkkelteknikk for å løse hvordan hydrogen påvirker dislokasjonsbevegelse. Det er veldig utfordrende fordi en syreløsning for katodisk hydrogenladning sirkulerer inn i et SEM-kammer. Det er en av de farligste målingene for maskinen. Hvis sirkulasjonsleddene lekker, et veldig dyrt skanningselektronmikroskop (SEM) ville bli ødelagt på grunn av syreløsningen. En veldig nøye design og et oppsett med svært høy kompetanse er nødvendig for å lage dette måleutstyret.»

Tsuzaki legger til at "når det er fullført, utganger med denne metoden ville være super. Den har veldig høy romlig oppløsning på grunn av SEM; det gir observasjoner på stedet under en godt kontrollert hydrogenatmosfære." Som et resultat, dermed dramatisk overvinne lengdebegrensningene som er iboende i nåværende mikrofluidiske enheter, han tror at Tasan og Kim "vil oppnå nye funn av hydrogenassistert dislokasjonsbevegelse ved denne nye metoden, løse mekanismen for hydrogenindusert mekanisk nedbrytning, og utvikle nye hydrogenbestandige materialer."

Kilde: http://news.mit.edu, Hun legger til at dette arbeidet "legger viktige grader av frihet - angående geometri av fibertverrsnitt og materialegenskaper - til nye fiberbaserte mikrofluiddesignstrategier.". Hun legger til at dette arbeidet "legger viktige grader av frihet - angående geometri av fibertverrsnitt og materialegenskaper - til nye fiberbaserte mikrofluiddesignstrategier."