Водород ослабляет металлы, вызывая неожиданные трещины и разрушения.
Ускоритель ядерных частиц в Аргонне, названный ATLAS. Характерное изображение.
Аргоннская национальная лаборатория
Водород станет ключевым источником энергии, питающим все: от самолетов и большегрузных автомобилей до автомобилей и домов.
Однако водород приводит к ослаблению металлов, вызывая неожиданные трещины и разрушения.
В первом в мире эксперименте исследователи Оксфордского университета и Брукхейвенской национальной лаборатории использовали 3D-визуализацию в реальном времени, чтобы изучить влияние водорода на нержавеющую сталь.
Группа ученых в режиме реального времени изучала, как ведут себя мельчайшие дефекты внутри нержавеющей стали при воздействии водорода.
Результаты исследования могут способствовать разработке более безопасных и надежных водородных топливных систем для таких применений, как самолеты, термоядерные реакторы, трубопроводы и резервуары для хранения.
«Водород обладает огромным потенциалом как чистый энергоноситель, но он известен тем, что делает материалы, с которыми контактирует, более хрупкими. Впервые мы непосредственно наблюдали, как водород меняет поведение дефектов в нержавеющей стали глубоко внутри металла в реальных условиях», — сказал доктор Дэвид Янг, ведущий исследователь из Брукхейвенской национальной лаборатории.
«Эти знания необходимы для проектирования сплавов, более устойчивых к экстремальным условиям, в том числе для будущих самолетов на водородных двигателях и термоядерных электростанций», — добавил Ян.
Передовая технология рентгеновской визуализации
Водород считается идеальным чистым топливом для секторов, которые трудно декарбонизировать, таких как судоходство и авиация.
Однако водородная хрупкость ставит под угрозу целостность металлических компонентов, таких как сосуды высокого давления и трубопроводы .
В уникальном эксперименте исследователи использовали сверхъяркий рентгеновский луч на установке Advanced Photon Source в США, чтобы заглянуть внутрь частицы нержавеющей стали (примерно 700 нанометров в диаметре).
Используя метод когерентной дифракционной визуализации по Брэггу, они в реальном времени наблюдали за подачей водорода.
Это позволило им отслеживать поведение внутренних дефектов в стали, известных как дислокации, обусловленные присутствием водорода.
Команда отметила три критических изменения.
Во-первых, водород заставляет дефекты (дислокации) легче перемещаться и менять форму, действуя как «смазка на атомном уровне».
Во-вторых, команда обнаружила, что дефекты демонстрируют неожиданное движение вверх (подъём). Это указывает на то, что водород допускает атомные перестройки, которые обычно невозможны при комнатной температуре, что делает металл менее твёрдым и более уязвимым.
И наконец, по мере накопления водорода напряжение вокруг дефектов снижалось. Этот процесс учёные называют водородоупругой защитой. Это, по сути, защищает металл от внутренних напряжений, ослабляя его изнутри.
Материалы для водородных применений
Группа ученых заявила, что неожиданный отказ металлов под воздействием водорода происходит из-за того, что этот газ позволяет внутренним дефектам перемещаться с большей легкостью и новыми способами.
«Используя когерентную рентгеновскую дифракцию, неразрушающий метод, мы смогли наблюдать за событиями атомного масштаба, происходящими в реальном времени внутри твердого металла, не разрезая образец», — сказал профессор Феликс Хофманн, главный исследователь исследования из Оксфорда.
«Некоторые результаты нас действительно удивили, продемонстрировав поведение, которого мы не ожидали», — добавил Хофманн.
Это исследование поможет инженерам моделировать и прогнозировать поведение материалов в средах, богатых водородом.
Полученные результаты могут быть использованы для совершенствования многомасштабных фреймворков моделирования, используемых отраслями промышленности при разработке работающих на водороде самолетов, транспортных средств и инфраструктуры.
Это также открывает путь к разработке новых сплавов, специально разработанных для сопротивления водородной хрупкости.
Полученные результаты, дополняющие данные электронной микроскопии и моделирования, будут использованы для разработки моделей для отрасли и планирования будущих экспериментов по изучению влияния водорода на другие дефекты.
Исследование опубликовано в журнале Advanced Materials.
Sourse: interestingengineering.com
