Nanotechnology Now - Press Release: Finding The Most Heat-resistant Substances Ever Made: UVA Engineering Secures DOD MURI Award To Advance High-temperature Materials

Återutgiven av Platon

anhängare: 0

Hem > Presse > Att hitta de mest värmebeständiga ämnena som någonsin gjorts: UVA Engineering säkrar DOD MURI-priset för att främja högtemperaturmaterial

Postdoctoral researcher Sandamal Witharamage (from left) is part of Professor Elizabeth J. Opila’s team developing novel planetary- and geologically inspired high-temperature materials under a Department of Defense Multidisciplinary University Research Initiative grant.

KREDITERA
University of Virginia School of Engineering and Applied Science

Sammanfattning:
De mest hållbara, värmebeständiga materialen som någonsin tillverkats kan gömma sig i sikte.

Att hitta de mest värmebeständiga ämnena som någonsin gjorts: UVA Engineering säkrar DOD MURI-priset för att främja högtemperaturmaterial

Charlottesville, VA | Postat den 8 december 2023

Det amerikanska försvarsdepartementet vill veta om mineraler och stenar som finns på jorden och i rymden bär på hemligheterna med nästa generations högtemperaturmaterial. För att ta reda på det tilldelade DOD 6.25 miljoner dollar genom sitt Multidisciplinary University Research Initiative, eller MURI, till ett team från University of Virginia och Arizona State University. Gruppen leds av UVA:s Elizabeth J. Opila, professor i Rolls-Royce Commonwealth och ordförande för Institutionen för materialvetenskap och teknik.

Den mycket konkurrenskraftiga MURI finansierar grundläggande vetenskaplig forskning som DOD hoppas ska leda till genombrott inom dess intresseområden genom kollektiva insikter från flera discipliner.

Läser klipporna
"Det är en boomtid för högtemperaturmaterial på grund av behov inom energiproduktion, hypersonic och nya saker som additiv tillverkning som kommer på fältet," sa Opila. "[Människor] utforskar nya kompositionsutrymmen där du blandar olika element på olika sätt. Utöver det tänker vi på detta geologiskt och planetariskt inspirerade material, vilket är väldigt roligt.”

Mineraler och stenar är komplexa jämfört med de föreningar som materialforskare vanligtvis arbetar med, sa Opila, och det är därför projektets potential är spännande.

"Geologerna är verkligen fokuserade på hur jorden bildades och var vi kan hitta dessa olika ämnen," sa Opila. "Vi vill ta den kunskapen och ta med den till applikationsområdet."

Genom att välja specifika fysikaliska egenskaper kommer forskarna att kopiera Moder Naturs användning av mineralsammansättning, temperatur, tryck och de snabba förändringarna i dessa krafter, för att göra sina syntetiska material. Målet är att dramatiskt utöka, och dokumentera för andra, medlen och ingredienserna från vilka högtemperaturmaterial kan bearbetas för att överträffa allt som ännu trollats fram av människor eller natur.

På jakt efter eldfasta material
Army Research Office efterlyste behoven av allt bättre eldfasta material - de som motstår att försvagas, smälter eller sönderfaller under intensiv värme eller korrosiva förhållanden, och efterlyste förslag om Emergent Refractory Behaviours in Earth and Extraterrestrial Materials. Bland flera mål kommer Opilas team att designa, tillverka, testa och beskriva en mängd nya material som är avsedda att överträffa nuvarande keramik, legeringar och beläggningar som används i intensivt heta miljöer - till exempel en 3,000 XNUMX-graders jetmotor.

Opila är en före detta NASA-forskare och innovatör inom värme- och korrosionsbeständiga material. Hennes medarbetare är experter inom geologi, beräkningsmodellering och materialvetenskap från UVA:s School of Engineering and Applied Science och ASU:s schools of Engineering of Matter, Transport and Energy; Molekylära vetenskaper; och utforskning av jorden och rymden.

Snabbspårande upptäckt
Opilas huvudutredare från UVA:s Engineering är Patrick E. Hopkins, Whitney Stone-professorn i ingenjörsteknik i mekanisk och rymdteknik, och biträdande professor i materialvetenskap och ingenjörsteknik Bi-Cheng Zhou.

Hopkins ExSiTE Lab är specialiserat på laserbaserade tekniker för att mäta termiska egenskaper. Hans labb kommer att vara avgörande för att karakterisera det material teamet kommer fram till.

Zhou är en beräkningsmodellerare känd för att uppfinna varianter av CALPHAD-metoden för att utöka dess möjligheter. Han och en annan beräkningsmodelleringsspecialist, ASU biträdande professor i materialvetenskap och ingenjörsteknik Qijun Hong, kommer att använda sina respektive expertis för att snabba upp upptäckten av lovande "recept" för experimentlabb att prova på båda skolorna.

ASU-labben drivs av Alexandra Navrotsky, en känd tvärvetenskaplig expert inom termodynamik och chef för Navrotsky Eyring Center for Materials of the Universe, och Hongwu Xu, en mineralog och materialkemist och professor vid ASU:s skolor för molekylära vetenskaper och jord- och rymdutforskning .

Teamen kommer att göra och analysera potentiella recept - ofta utbyta prover för testning, sa Opila, med hennes labb som ger extrem värme, medan ASU-labben tillämpar intensivt tryck såväl som högtemperaturtester.

Klippning av kuponger
Syntes av testprover börjar vanligtvis med ett element i pulverform, säger UVA Ph.D. student Pádraigín Stack, som är kemiskt förändrad för att isolera ett målmaterial, eller en del av ett mål.

Den nya kompositionen, som har spätts ut, upphettats och torkats tillbaka till ett pulver, sintras sedan, en process som applicerar tillräckligt med värme och tryck för att bilda en tät materialpuck. Tunna skivor från pucken, så kallade kuponger, ger proverna som forskarna kommer att utsättas för olika tester - till exempel genom att utsätta den för ånga vid höga hastigheter i Opilas labb eller, på ASU, applicera geologiskt liknande tryck med ett diamantstäd.

Utöver dessa traditionella syntesmetoder kommer teamet att prova metoder inspirerade av planetariska eller geologiska fenomen, såsom hydrotermisk syntes, som sker i uppvärmt vatten vid förhöjda tryck. Eftersom vatten finns i överflöd i jordens varma, trycksatta inre, är hydrotermiska processer förknippade med till exempel bildningen av mineraler som innehåller sällsynta jordartsmetaller - kritiska komponenter för många förnybara energitillämpningar.

I labbet involverar hydrotermisk syntes bildande av kristaller i en hetvattenbaserad lösning i ett slutet kärl så att gasformiga molekyler som rör sig ovanpå vätskan utövar högt ångtryck i systemet.

Dilemmat med sällsynta jordartselement
Ett fokus i MURI-projektet är att använda sällsynta jordartsmetaller. Många sällsynta jordartsmetaller används redan i konventionella högtemperaturmaterial, såsom miljöbarriärbeläggningar inom flyg och hypersonisk flygning, såväl som batterier, LED-enheter och andra alltmer efterfrågade produkter - men till en hög kostnad. Även om det faktiskt inte är sällsynt, kräver separering av elementen från jord och sten dussintals steg, de flesta av dem förorenande.

"Alla dessa sällsynta jordartsmetalloxider som vi kommer att använda finns i mineraler just nu," sa Opila. "Någon bryter dem och sedan måste de separera dem alla. Till exempel är ytterbium och lutetium grannar i det periodiska systemet. De är så kemiskt lika att det tar 66 steg som involverar många kemikalier vilket resulterar i otäcka avfallsprodukter.”

Separationsproblemet fick Opila att ställa en fråga i hjärtat av ett annat projekt som hon och hennes elever arbetar med som är relaterat till MURI: "Tänk om du tar ett mineral gjord av element som du vill ha rakt upp ur marken men inte separerar dem, bara rensa upp det lite och göra ditt material av det?”

De experimenterar med xenotime, ett vanligt mineral, för att förbättra miljöbarriärbeläggningar, eller EBC, som skyddar jetmotordelar från faror som höghastighetsånga och ökensand. Intagen sand kan smälta till glas och reagera med den underliggande legeringen om den infiltrerar beläggningen.

"Vi vet att vissa mineraler är stabila eftersom vi kan hitta dem i marken," sa Stack. "Du hittar inte metalliskt järn i marken, du hittar järnoxid eftersom järnoxid är det som är stabilt. Låt oss utforska varför något är stabilt, eller om det har andra användbara egenskaper, och använda den kunskapen för att göra något bättre."

####

För mer information, klicka på här.

Kontaktpersoner:
Jennifer McManamay
University of Virginia School of Engineering and Applied Science
Kontor: 540-241-4002

Om du har en kommentar, snälla Kontakta oss oss.

Emittenter av nyhetsmeddelanden, inte 7th Wave, Inc. eller Nanotechnology Now, är ensamma ansvariga för innehållets noggrannhet.

Bokmärke: