Nanoscale-Studie des Strahlungsinduzierten Schadens

Published on November 19, 2012 at 3:46 AM

Um die nächste Generation von Kernreaktoren aufzubauen, versuchen Materialwissenschaftler die Geheimnisse von bestimmten Materialien freizusetzen die der tolerante Strahlungschaden sind.

Eine Kupfer- und Eisennano-Säule, die mit Helium eingepflanzt worden ist (wie mit einem Rasterelektronenmikroskop gesehen). Der Pfeil zeigt auf die Schnittstelle zwischen die zwei Metalle. Kredit: Et al. Peri Landauers/Caltech

Jetzt haben Forscher an der California Institute Of Technology (Caltech) neues Verständnis bis eins von denen geholt, Geheimnis-wie die Schnittstellen zwischen zwei sorgfältig ausgewählten Metallen absorbieren oder heilen können, Strahlungsschaden.

„Wenn es um das Auswählen von richtigen strukturellen Materialien für hoch entwickelte Kernreaktoren geht, ist es entscheidend, dass wir Strahlungsschaden und seine Effekte auf Materialeigenschaften verstehen. Und wir müssen diese Effekte auf getrennte kleinräumige Merkmale studieren,“ sagt Julia R. Greer, ein Assistenzprofessor der Materialwissenschaft und Mechaniker bei Caltech. In diesem Sinne haben Greer und Kollegen von Caltech, Sandia-Nationale Laboratorien, von Uc Berkeley und von Los Alamos Nationalem Laboratorium einen näheren Blick am strahlungsinduzierten Schaden genommen und herein vollständig laut gesummt, nanoscale-wo Längen in den Billionsten von Metern gemessen werden. Ihre Ergebnisse erscheinen online in den Zapfen Voranbrachten FunktionsMaterialien und Klein.

Während der Kernbestrahlung verlegen Energiepartikel wie Neutronen und Ionen Atome von ihren regelmäßigen Gitterplätzen innerhalb der Metalle, die einen Reaktor bilden und lösen Schubumkehrgitter von Zusammenstößen aus, die schließlich Materialien wie Stahl schädigen. Eine der Nebenerscheinungen dieses Prozesses ist die Entstehung von Heliumblasen. Da Helium sich nicht innerhalb der Vollmaterialien auflöst, bildet macht es die druckbelüfteten Gasblasen, die verschmelzen können und das materielle poröse, spröde, und deshalb anfällig gegen Bruch.

Etwas Nano--ausgeführte Materialien in der Lage sind, solchem Schaden zu widerstehen und verhindern möglicherweise zum Beispiel Heliumblasen am Verschmelzen in größere Lücken. Zum Beispiel Metall-sind etwas metallische Nanolaminatesmaterialien, die von den extrem dünnen wechselnden Schichten von unterschiedlichem gebildet werden, fähig, verschiedene Baumuster von strahlungsinduzierten Defekten an den Schnittstellen zwischen den Schichten wegen der Nichtübereinstimmung zu absorbieren, die zwischen ihren Kristallstrukturen existiert.

„Leute haben eine Idee, von den Übertragen auf Lochkarten, von, was die Schnittstellen möglicherweise als Ganzes tun, und sie kennen von den Experimenten, was ihr kombinierter globaler Effekt ist. Was sie nicht sind kennen, was genau eine einzelne Schnittstelle tut und welcher besonderen Rolle das nanoscale Spiel bemisst,“ sagt Greer. „Und das ist, was wir in der Lage waren, nachzuforschen.“

Peri Landauer und Guo Qiang, beide Habilitationsgelehrten in Greers Labor zu der Zeit dieser Studie, verwendeten eine chemische Prozedur, die Galvanisierung entweder zu gerufen wurde, wachsen Miniatursäulen des reinen Kupfers oder die Säulen, die genau ein enthalten, Schnittstelle-in dem ein Eisenkristall auf einem kupfernen Kristall sitzt. Dann arbeitend mit Partnern bei Sandia und bei Los Alamos, um den Effekt der Heliumbestrahlung zu wiederholen, pflanzten sie jene nanopillars mit Heliumionen, beide direkt an der Schnittstelle und, in den unterschiedlichen Experimenten, während der Säule ein.

Die Forscher verwendeten dann ein einzigartiges nanomechanical Prüfungsinstrument, riefen das SEMentor, das im Subbasement der Labors W.M. Keck Engineering ist, die bei Caltech, zur Kompresse die kleinen Säulen und zum Zug auf ihnen als Methode, über die mechanischen Eigenschaften von zu lernen Säule-wie ihre Länge aufbauen, die geändert wird, als ein bestimmter Druck angewandt war, und wo sie brachen, zum Beispiel.

„Diese Experimente sind sehr, sehr empfindlich,“ sagt Landauer. „Wenn Sie an ihn denken, lang-ist jedes von, Säule-die nur 100 nm breit und ungefähr 700 nm sind, tausendmal dünner als eine einzelne Haarsträhne. Wir können sie mit hochauflösenden Mikroskopen nur sehen.“

Das Team fand dass, sobald sie eine kleine Menge Helium in eine Säule an der Schnittstelle zwischen dem Eisen und den Kupferkristallen einschoben, die Stärke der Säule zunahm um mehr als 60 Prozent, die mit einer Säule ohne Helium verglichen wurden. Dass viel, Landauer erwartet wurde, erklärt, weil „die verhärtende Bestrahlung ist ein weithin bekanntes Phänomen in den Massenmaterialien.“ Jedoch beachtet sie, solche Verhärtung wird verbunden gewöhnlich mit Bröckligkeit, „und wir wünschen Materialien spröde nicht sein.“

Überraschend fanden die Forscher, dass in ihren nanopillars, die Zunahme der Stärke nicht zusammen mit Bröckligkeit kam, auch nicht, als das Helium an der Schnittstelle eingepflanzt wurde oder als es breit verteilt wurde. Tatsächlich waren Greer und ihr Team, die, das Material gefunden wurde, in der Lage, seine Duktilität beizubehalten, weil die Schnittstelle selbst in der Lage war, sich unter Druck allmählich zu verformen.

Dies heißt, dass in einem metallischen nanolaminate, das materiell ist, kleine Heliumblasen in der Lage sind, zu einer Schnittstelle zu migrieren, die nie mehr als einige zehn nm entfernt ist und im Wesentlichen heilt das Material. „, Was wir sind zeigen, dass es nicht von Bedeutung ist, wenn die Blase innerhalb der Schnittstelle ist, oder gleichmäßig verteilte-d Säulen nicht überhaupt in einem katastrophalen ausfallen, plötzliche Form,“ sagt Greer. Sie beachtet, dass das eingepflanzte Helium, Blase-die in den Hoch entwickelten FunktionsMaterialien beschrieben werden, eine bis zwei nm im Durchmesser Papier-waren; in den zukünftigen Studien wiederholt die Gruppe das Experiment mit größeren Blasen bei den höheren Temperaturen, um die zusätzlichen Bedingungen darzustellen, die auf Strahlungsschaden in Verbindung gestanden werden.

Im Kleinen Papier zeigten die Forscher, dass die sogar nanopillars, die völlig vom Kupfer, ohne die Überlagerung von Metallen gemacht wurden, die durch Strahlen bewirkte Verhärtung aufwiesen. Dieses steht in starkem Kontrast zu den Ergebnissen vom vorhergehenden Werk durch andere Forscher auf Proton-bestrahlten kupfernen nanopillars, die die gleichen Stärken aufwiesen, die die, die nicht bestrahlt worden waren. Greer sagt, dass dieser auf den Bedarf, verschiedene Baumuster von durch Strahlen bewirkten Defekten am nanoscale auszuwerten zeigt, weil alle sie möglicherweise nicht die gleichen Effekte auf Materialien haben.

Während niemand wahrscheinlich ist, Kernreaktoren aus nanopillars heraus jederzeit aufzubauen bald, argumentiert Greer, dass es wichtig ist, zu verstehen, wie einzelne Schnittstellen und nanostructures sich benehmen. „Diese Arbeit ist uns im Allgemeinen, beibringend, was Materialien die Fähigkeit gibt, Strahlung zu heilen, Schaden-was Toleranzen sie haben und wie man sie konstruiert,“ sagt sie. Dass Informationen in zukünftige Baumuster des materiellen Verhaltens enthalten werden können, die bei der Auslegung von neuen Materialien helfen können.

Quelle: http://www.caltech.edu/

Last Update: 19. November 2012 04:31

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