製造耐氫合金新方法出爐
- 發佈時間：2016-04-01 02:30:52 來源：科技日報 責任編輯：羅伯特
科技日報北京3月31日電 （記者劉園園）高性能合金廣泛用於一些非常重要的領域，例如核反應爐中用來保護燃料的包層。然而即使是最好的合金也會在核反應爐高溫、輻射和富氫環境中逐漸遭到侵蝕。現在，美國麻省理工學院的研究人員找到一種新方法，可以大大減弱氫對合金的破壞。
據麻省理工學院官網消息，該團隊主要分析了廣泛用於核工業中的鋯合金。當核反應爐冷卻劑中的水分子分裂後會釋放出氫元素，這些氫元素會進入鋯合金並與之發生反應。這會降低鋯合金的延展性，使其提前脆裂併發生故障。
研究人員發現，氫原子進入鋯合金的第一道關口就是其表面的氧化層。如果對這層氧化物精心設計，它會阻止氫元素進入合金內部，或者以氫氣的形式將氫元素再次“驅趕”出來。
氫元素在進入鋯合金內部之前，首先會溶解在其表面的氧化層中。實驗證明，氫的溶解度可以通過在氧化層中摻入其他元素進行控制，其溶解度隨著摻入元素為氧化層帶來的電子數量而呈U型曲線變化。也就是説，有一類摻入元素可以將氫元素的滲透能力降至最低，阻止氫元素進入氧化層；另一類摻入元素則可以最大化地為氧化層帶來電子，並促進氧化層釋放出氫氣。因此，為鋯合金設計強大“屏障”的關鍵就是找到有效的摻入元素。
鋻於此，研究人員發現兩種有效策略：一種是“守”，旨在使氫元素的滲透最小化，可通過摻入鉻元素來達到這一目的；一種是“放”，旨在使已經滲入的氫元素最大化地被釋放出來，可通過摻入鈮來達到這一目的。這些摻入元素可以在製造鋯合金時加入，融入鋯合金錶面的氧化層。
美國密歇根大學可持續能源、環境和地球系統工程教授加裏·瓦斯教授評價説，氫的行為已被視為核反應爐在正常運作條件下最大的潛在挑戰，而這項研究是從物理學角度理解氫在鋯合金中行為的首次嘗試。
不過研究人員強調，這兩種策略或是能應用於多種合金的通用方法，它們有潛力在多種重要領域提高合金材料的壽命。
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