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观察氢在金属中的作用

显微镜技术可以帮助研究人员设计更安全的反应堆容器或储氢罐。

大卫·l·钱德勒 · 2019年2月4日, · 麻省理工学院的新闻

氢,所有原子中第二微小的,可以直接穿透固体金属的晶体结构。

这对于在金属内部安全储存氢燃料的努力来说是个好消息,但对于核电站的压力容器等结构来说则是个坏消息,因为在这些结构中,吸收氢最终会使容器的金属壁更加脆弱,从而导致故障。但是这种脆化过程很难观察到,因为氢原子的扩散速度非常快,即使是在固体金属内部。

现在,麻省理工学院的研究人员找到了解决这个问题的方法,他们发明了一种新技术,可以在氢渗透过程中观察金属表面。他们的发现在一个今天出现在国际氢能杂志由麻省理工学院博士后Jinwoo Kim和冶金学助理教授Thomas B. King撰写c·杰姆Tasan

“这绝对是一个很酷的工具,”桑迪亚国家实验室技术人员Chris San Marchi说,他是一位杰出的成员,但没有参与这项工作。“这种新的成像平台有可能解决一些有趣的问题,如材料中的氢传输和捕获,以及晶体学和微观结构成分在脆化过程中的作用。”

氢燃料被认为是限制全球气候变化的潜在主要工具,因为它是一种高能燃料,最终可能用于汽车和飞机。然而,需要昂贵和重型高压罐来控制它。将燃料储存在金属的晶格中可能更便宜、更轻、更安全——但首先必须更好地了解氢进入和离开金属的过程。

“氢可以在金属中以相对较高的速度扩散,因为它很小,”塔桑说。他说:“如果你把一种金属放在一个富含氢的环境中,它就会吸收氢,这会导致氢脆。”这是因为氢原子倾向于在金属晶格的某些部分离析,削弱了其化学键。

这种观察脆化过程的新方法可能有助于揭示脆化是如何被触发的,它可能会提出减缓脆化过程的方法,或者通过设计不易脆化的合金来避免脆化。

Sandia的San Marchi说:“这种方法在与其他技术和模拟相协调的情况下,在阐明导致氢脆的氢缺陷相互作用方面可能发挥重要作用。”随着对氢脆机理的更全面的了解,可以设计材料和微结构来改善其在极端氢环境下的性能。”

新的监测过程的关键是设计一种方法,在扫描电子显微镜(SEM)的真空室中暴露金属表面的氢环境。由于扫描电子显微镜需要真空进行操作,氢气不能充入仪器内部的金属中,如果提前充好,气体会迅速扩散出去。相反,研究人员使用了一种液态电解质,这种电解质可以被包含在一个密封良好的室内,暴露在一薄金属薄片的底部。金属的顶部暴露在SEM电子束下,然后可以探测金属的结构,并观察氢原子迁移到它的影响。

电解液中的氢“一路扩散到金属的顶部”,在那里可以看到它的影响,塔桑说。该系统的基本设计也可用于其他类型的真空仪器,以检测其他特性。“这是一个独特的设置。据我们所知,这是世界上唯一一个能实现这种功能的。”

在他们对三种不同金属——两种不同的不锈钢和一种钛合金——的初步测试中,研究人员已经有了一些新的发现。例如,他们在室温和实时条件下观察了最常用的钛合金中纳米级氢化物相的形成和生长过程。

设计一个防泄漏系统是使这一过程工作的关键。电解液需要给金属充氢气,“对显微镜来说有点危险,”塔桑说。“如果样品失败,电解液被释放到显微镜室,”它可能会深入到设备的每一个角落和缝隙,而且很难清理。当他们要在专业和昂贵的设备上进行第一次实验时,他说,“我们很兴奋,但也真的很紧张。失败不太可能发生,但那种恐惧总是存在的。”


这是研究人员用来研究氢加载过程的实验扫描电子显微镜装置。

日本九州大学杰出的化学工程教授Kaneaki Tsuzaki没有参与这项研究,他说这“可能是解决氢如何影响位错运动的关键技术”。这是非常具有挑战性的,因为用于氢阴极充电的酸溶液循环进入扫描电镜室。这对机器来说是最危险的测量方法之一。如果循环接头泄漏,昂贵的扫描电子显微镜(SEM)将因酸溶液而损坏。制作这种测量设备需要非常仔细的设计和非常高的技能设置。”

Tsuzaki补充说:“一旦完成,这种方法的输出将是超级的。扫描电镜具有很高的空间分辨率;它给原位在控制良好的氢大气下进行观测。”因此,他说,他相信Tasan和Kim“将通过这种新方法获得氢辅助位错运动的新发现,解决氢诱导的机械降解机制,并开发新的抗氢材料。”

这项工作得到了教育部的支持Exelon公司通过麻省理工学院能源计划156manbetx.com先进核能系统低碳能源中心


经允许转载麻省理工学院的新闻。插图由研究人员提供。欲知更多资料,请浏览:

J. Kim和C.C. Tasan。氢充电过程中的微观结构和微观力学表征:An原位扫描电镜研究。”国际氢能杂志, vol. 44, issue 12, pp. 6333-6343, 2019年3月1日。在线:doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.10.128


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记者调查:miteimedia@mit.edu