Среда, 21 февраля, 2024
ДомойНаукаЖаростойкие чудеса: исследование Земли и космоса в поисках идеальных материалов

Жаростойкие чудеса: исследование Земли и космоса в поисках идеальных материалов

- Advertisement -

Исследователи из Университета Вирджинии и Университета штата Аризона при финансовой поддержке Министерства обороны США исследуют минералы и горные породы на предмет их потенциала в создании наиболее прочных и термостойких материалов. Фото: SciTechDaily.com

Совместный исследовательский проект, финансируемый Министерством обороны США, изучает возможность использования природных минералов и горных пород для разработки новаторских термостойких материалов, уделяя особое внимание устойчивости и эффективному использованию редкоземельных элементов.

Самые прочные и термостойкие материалы, когда-либо созданные, могут прятаться на виду.

Министерство обороны США хочет знать, хранят ли минералы и горные породы, найденные на Земле и в космосе, секреты высокотемпературных материалов следующего поколения. Чтобы выяснить это, Министерство обороны выделило 6,25 миллиона долларов в рамках своей Многопрофильной университетской исследовательской инициативы (MURI) команде из Университета Вирджинии и Университета штата Аризона. Группу возглавляет Элизабет Дж. Опила из UVA, профессор Содружества Rolls-Royce и заведующая кафедрой материаловедения и инженерии.

Высококонкурентный фонд MURI финансирует фундаментальные научные исследования, которые, как надеется Министерство обороны, приведут к прорывам в областях его интересов благодаря коллективным знаниям из различных дисциплин.

Читая камни

«Это время бума для высокотемпературных материалов из-за потребностей в производстве энергии, гиперзвуке и новых вещах, таких как аддитивное производство, которые появляются в этой области», — сказал Опила. «Люди исследуют новые композиционные пространства, в которых разные элементы смешиваются по-разному. Кроме того, мы думаем об этих геологических и планетарных материалах, и это очень весело».

По словам Опила, минералы и горные породы сложны по сравнению с соединениями, с которыми обычно работают ученые, и именно поэтому потенциал проекта впечатляет.

Постдокторант Сандамал Витарамадж (справа) входит в команду профессора Элизабет Дж. Опила, занимающейся разработкой новых высокотемпературных материалов, вдохновленных планетами и геологией, в рамках гранта Инициативы многопрофильных университетских исследований Министерства обороны. Фото: Школа инженерии и прикладных наук Университета Вирджинии.

«Геологи действительно сосредоточены на том, как образовалась Земля и где мы можем найти эти различные вещества», — сказал Опила. «Мы хотим взять эти знания и применить их в сфере применения».

Выбирая конкретные физические свойства, исследователи будут копировать использование Мать-Природой минеральных составов, температуры, давления и быстрых изменений этих сил для создания синтетических материалов. Цель состоит в том, чтобы значительно расширить и документировать для других средства и ингредиенты, из которых можно обрабатывать высокотемпературные материалы, чтобы превзойти все, что еще создано людьми или природой.

В поисках огнеупорных материалов

Удовлетворяя потребность во все более совершенных огнеупорных материалах — тех, которые устойчивы к ослаблению, плавлению или разложению при сильном нагреве или в агрессивных условиях, Армейское исследовательское управление призвало представить предложения по новым огнеупорным свойствам земных и внеземных материалов. Помимо нескольких задач, команда Опила спроектирует, изготовит, протестирует и опишет множество новых материалов, призванных превзойти нынешнюю керамику, сплавы и покрытия, используемые в очень горячих средах — например, при температуре 3000 градусов. Фаренгейт реактивный двигатель.

Опила — бывший НАСА ученый и новатор в области жаростойких и коррозионностойких материалов. Ее сотрудники — эксперты в области геологии, компьютерного моделирования и материаловедения из Школы инженерии и прикладных наук UVA и школ инженерии материи, транспорта и энергетики АГУ; Молекулярные науки; и исследование Земли и космоса.

Соруководящими исследователями Опилы из инженерного отдела UVA являются Патрик Э. Хопкинс, профессор инженерных наук в области машиностроения и аэрокосмической техники Уитни Стоун, а также доцент кафедры материаловедения и инженерии Би-Чэн Чжоу.

Лаборатория ExSiTE Хопкинса специализируется на лазерных методах измерения тепловых свойств. Его лаборатория сыграет важную роль в определении характеристик материалов, которые придумывает команда.

Чжоу — разработчик компьютерного моделирования, известный изобретением вариаций метода CALPHAD для расширения его возможностей. Он и еще один специалист по компьютерному моделированию, доцент кафедры материаловедения и инженерии АГУ Циджун Хонг, будут использовать свой опыт для ускорения открытия многообещающих «рецептов» для экспериментальных лабораторий, которые они смогут опробовать в обеих школах.

Лабораториями АГУ руководят Александра Навроцкая, известный междисциплинарный эксперт в области термодинамики и директор Центра материалов Вселенной имени Навроцкого Айринга, и Хунву Сюй, минералог и химик-материаловед, профессор школ молекулярных наук и исследований Земли и космоса АГУ. .

По словам Опила, команды будут создавать и анализировать перспективные рецепты, часто обмениваясь образцами для тестирования: в ее лаборатории очень жарко, в то время как лаборатории ASU применяют сильное давление, а также проводят высокотемпературные испытания.

Обрезка купонов

Синтез тестовых образцов традиционно начинается с элемента в виде порошка, рассказал к.т.н. UVA. студент Падрагин Стек, который химически изменен для выделения целевого материала или компонента мишени.

Новый состав, который был разбавлен, нагрет и высушен до порошкообразного состояния, затем спекается — при этом процессе применяется достаточно тепла и давления, чтобы сформировать плотную шайбу материала. Тонкие срезы шайбы, называемые купонами, представляют собой образцы, которые исследователи подвергнут различным испытаниям — например, подвергая их воздействию пара на высоких скоростях в лаборатории Опила или, в АГУ, применяя давление, подобное геологическому, с помощью алмазной наковальни.

В дополнение к этим традиционным методам синтеза команда попробует подходы, вдохновленные планетарными или геологическими явлениями, такие как гидротермальный синтез, который происходит в нагретой воде при повышенном давлении. Поскольку в горячих, находящихся под давлением недрах Земли много воды, гидротермальные процессы связаны, например, с образованием минералов, содержащих редкоземельные элементы — критических компонентов для многих применений возобновляемых источников энергии.

В лаборатории гидротермальный синтез включает формирование кристаллов в растворе на основе горячей воды в закрытом сосуде, при этом молекулы газа, движущиеся над жидкостью, создают высокое давление пара внутри системы.

Дилемма редкоземельных элементов

Одним из направлений проекта MURI является использование редкоземельных элементов. Многие редкоземельные элементы уже используются в обычных высокотемпературных материалах, таких как экологические барьерные покрытия в авиации и гиперзвуковых полетах, а также в батареях, светодиодных устройствах и других продуктах, которые становятся все более востребованными, но по высокой цене. Хотя на самом деле это не редкость, отделение элементов от почвы и камней требует десятков шагов, большинство из которых загрязняют окружающую среду.

«Все эти оксиды редкоземельных металлов, которые мы собираемся использовать, прямо сейчас находятся в минералах», — сказал Опила. «Кто-то их минирует, а потом им приходится их всех разделять. Например, иттербий и лютеций — соседи по таблице Менделеева. Они настолько химически похожи, что для этого требуется 66 шагов с участием многих химикатов, в результате чего образуются неприятные отходы».

Проблема разделения побудила Опилу задать вопрос, лежащий в основе другого проекта, над которым она и ее ученики работают и связанного с МЮРИ: «Что, если вы возьмете минерал, состоящий из нужных вам элементов, прямо из земли, но не разделите их? просто немного почисти это и сделай из этого свой материал?»

Они экспериментируют с ксенотимом, распространенным минералом, для улучшения экологических барьерных покрытий, или EBC, которые защищают детали реактивных двигателей от таких опасностей, как высокоскоростной пар и песок пустыни. Проглоченный песок может расплавиться, превратившись в стекло, и вступить в реакцию с лежащим под ним слоем. сплав если он проникает в покрытие.

«Мы знаем, что некоторые минералы стабильны, потому что мы можем найти их в земле», — сказал Стек. «В земле вы найдете не металлическое железо, а оксид железа, потому что оксид железа — это то, что стабильно. Давайте выясним, почему что-то стабильно или имеет ли оно другие полезные свойства, и воспользуемся этими знаниями, чтобы сделать что-то лучше».

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме