Oxford Üniversitesi ve Brookhaven Ulusal Laboratuvarı araştırmacıları tarafından yönetilen bir çalışma, hidrojen atomlarına maruz kalmanın paslanmaz çeliğin iç yapısını dinamik olarak nasıl değiştirdiğini ortaya çıkarmıştır. Bulgular, hidrojenin çelikteki iç kusurların normalde mümkün olmayan şekillerde hareket etmesine izin verdiğini ortaya koymaktadır – bu da beklenmedik başarısızlığa yol açabilir.
Bu keşif, uçak ve füzyon reaktörlerinden boru hatlarına ve depolama tanklarına kadar hidrojen yakıt sistemlerini daha güvenli ve daha güvenilir hale getirmeye yardımcı olabilecek hayati bilgiler sunmaktadır. Çalışma şurada yayınlandı Gelişmiş Malzemeler.
Dünyanın ilk denemesinde, ekip paslanmaz çelik (çıkıklar olarak adlandırılır) içindeki küçük kusurların hidrojen maruziyetine nasıl tepki verdiğini izlemek için gelişmiş bir röntgen görüntüleme tekniği kullandı. Bu, hidrojenin metallerin nasıl zayıflamasına veya başarısız olmasına neden olabileceğini anlamak için çok önemlidir ve büyüyen bir hidrojen ekonomisi için yeni nesil alaşımların tasarımına rehberlik edebilir.
Baş araştırmacı Dr. David Yang (Brookhaven Ulusal Laboratuvarı), “Hidrojen, temiz bir enerji taşıyıcısı olarak büyük bir potansiyele sahiptir, ancak daha kırılgan olarak temas ettiği malzemeleri yapmak için kötü şöhretlidir. İlk kez, hidrojenin paslanmaz çelikteki kusurların metalin içinde daha fazla ekstremasyon için daha fazla hareket ettiğini, bu bilginin gerçekleştirici koşullar dahil edilmesi için nasıl değiştiğini doğrudan gözlemledik. ve nükleer füzyon bitkileri. “
Ülkeler fosil içermeyen enerji sistemlerine geçmeyi amaçladıkça, hidrojen, nakliye, havacılık ve ağır yük gibi eklenmesi zor sektörler için ideal yakıt olarak lanse edildi. Bununla birlikte, hidrojen, enerji sistemlerindeki yüksek basınçlı damarların, boru hatlarının ve kritik bileşenlerin bütünlüğünü tehdit eden metallerde (hidrojen sarsıntısı olarak bilinir) beklenmedik çatlamaya neden olabilir.
Mühendisler uzun zamandır hidrojenin metal performansını etkilediğini bilmiş olsa da, hidrojenin tespit edilmesi çok zor olduğundan atomik ölçekte kesin mekanizmalar zor kalmıştır.
Çalışma Müdür Araştırmacı Prof. Felix Hofmann (Oxford Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Bölümü), “Tutarlı olmayan bir yöntem olan tutarlı X-ışını kırınımı kullanarak, atomik ölçekli olayları kullanarak, örneği kesmeden gerçek zamanlı olarak gerçek zamanlı olarak ortaya çıkmayı izleyebildik. Bu bilimsel kukuletayı kesmeden bu bilimleri büyük ölçüde analiz etmeyi ve bir araya gelmeyi, bazı sonuçları bir araya getirerek, bazı şeyleri bir araya getirerek, gerçekten bir araya getirilmesini, gerçekten de bir araya getirerek, gerçekten bir araya getirilmesini, gerçekten de bir araya getirerek, bazı şeyleri, bir araya getirmeyi, gerçekten de bir araya getirmeyi, gerçekten de bir araya getirerek açıkladı.
Hidrojenin malzemenin içinde ne yaptığını ortaya çıkarmak için, araştırmacılar ABD’deki gelişmiş foton kaynağında X-ışınlarını, yaklaşık 700 nanometre çapında tek bir paslanmaz çelik tahıl üzerine odaklamak için ultra parlak bir ışın çizgisi kullandılar. Daha sonra, bu tahılın iç yapısının zamanla nasıl değiştiğini ölçmek için Bragg tutarlı kırınım görüntüleme adı verilen bir teknik uyguladılar.
Bu yöntemde, X-ışınları kristal kafes ile dağılır ve karmaşık bir parazit paterni oluşturur. Bu, tahılın yapısını, içindeki kristal kusurları ve etraflarındaki kafesi nasıl çarpıttıklarını ortaya çıkarmak için yeniden yapılandırılabilir.
Çelik tanesini 12 saatten fazla görüntüleyerek, deney hidrojen tanıtıldıktan sonra üç temel değişiklik ortaya çıkardı:
- Dislocations beklenmedik bir şekilde hareket etti. İç hatalar, ek dış stres olmadan bile hareket etmeye ve yeniden şekillendirmeye başladı. Bu, hidrojenin atomik ölçekte bir yağlayıcı gibi davrandığını ve kusurların daha kolay hareket etmesini mümkün kıldığını gösterir.
- Kusurların şaşırtıcı bir düzlem dışı hareketi gözlendi. “Tırmanma” olarak bilinen bu yukarı doğru kayma beklenmediktir ve hidrojenin atomların oda sıcaklığında tipik olarak mümkün olmayan şekillerde yeniden düzenlemesine izin verdiği sinyalleri. Bu sürecin alaşımların sertliğini azaltmada kritik bir rol oynadığı düşünülmektedir.
- Dislokasyonun çevresindeki gerinim alanı, hidrojen biriktikçe belirgin bir şekilde azaldı. Bir gerinim alanı, atomların itildiği veya yerinden çekildiği ve malzemenin kusura uyum sağlamasına izin veren bir kusurun etrafındaki bölgedır. Bu çalışma, hidrojen kusur suş alanlarını azaltır ve çevredeki metali stresten etkili bir şekilde koruyan, hidrojen elastik ekranlama adı verilen uzun teorik bir etkinin ilk doğrudan 3D deneysel ölçümünü sağlar.
Bu bulgular, hidrojenin neden metallerde beklenmedik başarısızlığa yol açabileceğini açıklamaya yardımcı olur, çünkü iç kusurların daha kolay ve normalde mümkün olmayan şekillerde hareket etmesine izin verir.
Araştırmacılara göre, çalışma, hidrojen ortamlarındaki malzeme performansının nasıl modelleneceğini ve tahmin edileceğini doğrudan bilgilendirerek, endüstri tarafından kullanılan çok ölçekli simülasyon çerçevelerine besleniyor. Ayrıca, hidrojen alımına daha fazla direnç sağlayan yeni alaşımları mühendislik için potansiyel stratejilere işaret eder.
Profesör Hofmann, “Bu araştırma, yalnızca uluslararası senkrotron kaynaklarında son derece parlak ve tutarlı X-ışını kirişlerinin mevcudiyeti nedeniyle mümkündür. Sonuçlar, elektron mikroskopisi ve simülasyonlardan elde edilen bilgiler için son derece tamamlayıcıdır. Şimdi hidrojenin diğer kusur türlerini nasıl değiştirdiğini incelemek için daha da karmaşık deneyler planlıyoruz. Aynı zamanda, hidrojen yakıt sistemlerini nasıl geliştirmek için modeller geliştiriyoruz.”
Çalışma ayrıca Argonne Ulusal Laboratuvarı (Amerika Birleşik Devletleri) ve Londra Üniversitesi Koleji’nden araştırmacıları da içeriyordu.
