一个多学科小组的科学家利用全国同步光源II (NSLS-II),美国能源部(DOE)办公室用户设备位于美国能源部布鲁克海文国家实验室,研究高温熔盐腐蚀金属合金。亚博老虎机网登录
使用熔盐的小组发现了一个新颖的方法来创建与微观孔隙网络多孔金属材料和金属韧带,它可以应用于各种领域,如能源储存和感应。亚博网站下载工作也支持熔盐反应堆的发展(msr)技术,可以生产更安全、更便宜、更环保的可持续发展核能。
熔融盐是一个领先的候选人作为高温传热介质在各种应用程序中,包括新一代核能和太阳能发电厂。他们有一些特性,这些特性使其可取的,如高沸点、高特定的加热,热导率高,蒸汽压力低。然而,熔融盐的挑战之一是它们的腐蚀性接触合金。
在msr,熔盐溶解的形式包含了核燃料,也作为主要的传热流体,在500 - 900°C(约930 - 1650°F)。发展msr的关键步骤之一是公司了解化学的熔融盐,以及他们如何与一个反应堆的结构材料在高温、腐蚀效果成为主要焦点。亚博网站下载这项工作有助于解决这一目标通过提供洞察熔盐脱合金,合金中的某些元素的过程期间优先漂白了进入熔盐腐蚀。第一项研究,探索利用熔融盐的腐蚀性质dealloy和故意创建的多孔结构。
研究,6月9日发表的一篇论文中所描述的2021年自然通讯,结果从NSLS-II之间的协作和Brookhaven-led熔融盐在极端环境中能源前沿研究中心(硕士EFRC)。EFRCs由能源部建立了办公室的基本能源科学将大型团队共同应对复杂和跨学科基础研究能源技术发展的挑战。亚博老虎机网登录硕士团队在这个工作包括Stony Brook大学的成员,布鲁克海文国家实验室的化学部门,橡树岭国家实验室。
“硕士的使命是提供基本的熔盐科学需要启用MSR技术,”亚博老虎机网登录主任说,硕士论文的作者之一,布鲁克海文国家实验室的化学家James Wishart。
工作完成在两个NSLS-II beamlines,细致的x射线成像技术有限公司(FXI) beamline和beamline材料测量(BMM)。亚博网站下载
“貌似beamline功能成像技术3 d x射线nanotomography,收益率时间序列的3 d可视化——本质上是一个3 d电影的样品的内部结构,解决几十纳米,”说的首席科学家FXI beamline, Wah-Keat李,他也是一个作家。“其他设施也有类似的仪器,但貌似快20倍能产生图像。这是什么使这beamline研究像这样如此有用。”
貌似我和BMM提供另一种方法称为x射线吸收靠近边缘结构(黄嘌呤)光谱,用于产生的氧化态和局部结构信息的合金元素在脱合金反应。实验结果被辅以计算建模与仿真。
能够形象高温熔盐腐蚀,FXI beamline员工,NSLS-II工程师和硕士研究团队联合开发一种特殊的微型加热器,使实时测量在材料发展的条件到1000°C。亚博网站下载这是一个重大的成就的记录在最近的一篇论文,发表在杂志同步加速器辐射。
该团队使用FXI加热器系统time-resolve镍铬合金的形态演化(80%镍/ 20% Cr)导线在熔融50 - 50的氯化钾、氯化镁的混合物在800°C。随着时间的发展,铬被腐蚀和淋溶的线其余镍重组成多孔网络。这是第一次研究人员已经观察到的变化3 d结构材料进行了脱合金过程正在发生。
“我们看到样品改变在我们眼前,能够每一步的视频,这是值得注意的是,“石溪分校博士生小杨Liu表示的共同第一作者论文之一。
团队发现,脱合金过程首先开始于合金之间的接口和盐和传播到合金的中心,创建孔隙网络。铬是进一步漂白了熔盐,毛孔和蛀牙变得更大(这被称为“粗化”)由于镍原子的扩散表面的合金。
材料的三维形态形成在这项研究中被归为“双连续”,这意味着两个阶段——毛孔的合金和网络由盐腐蚀——是连续和完整。多孔双连续材料研究者极大的兴趣由于减少体亚博网站下载重,表面积大,能力的大规模运输液体通过毛孔,和电气或通过材料导热系数矩阵。双连续的金属合金,尤其是小孔隙的大小,有许多潜在的应用在几个领域,包括能源存储、传感和催化作用。
视频显示了金属材料的变化(蓝色)正在dealloyed使用过程中熔盐在不同的时间。在每一个步骤,我们可以看到更多的孔隙(橙色)中创建的材料,形成一个连续的网络。
几种方法历来是用来创建这些高度受欢迎的材料,包括酸腐蚀最容易腐蚀元素,或选择性溶解在液态金属。亚博网站下载然而,熔盐的方法,以前没有被探索,由不同的机制和运作遵循不同的规则,可以提供更高程度的控制浸出和重组的过程,可能导致优越的材料。亚博网站下载这种程度的控制是有可能的,因为成像功能貌似beamline允许研究人员量化利率脱合金和粗化过程变化的参数如温度和合金和盐组成。
“貌似beamline绝对是这项工作至关重要,”石溪博士生阿瑟·朗说其他共同第一作者和共同通讯作者。“其时间分辨率,能够观察结构变化对分钟规模在一个优秀的纳米尺度的空间分辨率,以及我们共同建造的炉,使得这一研究成为可能。”
这项工作,其继续扩展到温度和盐和合金成分的影响,是非常重要的,持久的熔盐反应堆系统的设计,其中涵盖一系列温度的腐蚀机制的这些过程可以预测在不同的位置不同,同时也取决于燃料盐的内容。团队将使用FXI beamline和其他先进技术来获得必要的机械信息使这样的预测。这样做,他们将获得关键信息指导双连续的深思熟虑的制备合金材料的具体形态和属性范围广泛的应用程序。亚博网站下载
“这项工作的背后是大量的难以置信的科学家和工程师,”助理教授说通讯作者凯伦Chen-Wiegart石溪的工程和应用科学学院拥有NSLS-II联合任命。亚博老虎机网登录“只有通过伙伴关系这样的大型研究中心硕士和一个世界级的设施NSLS-II这样我们能够迈出这一步。我们真的只在一个奇妙的旅程的开始,进一步探索复杂而有趣的材料之间的相互作用和熔融盐使用先进的同步加速器技术!”亚博网站下载
来源:https://www.bnl.gov/