SEM A och STEM B tvärsnittsbild som visar den 5-lagers nanokompositstrukturen med alternerande kiseldioxid- och kimröksskikt efter värmebehandling vid mer än 800 °C. B HAADF-bild- och intensitetsprofiler för kol och kisel visar gränssnitten mellan substrat och belagda kiseldioxidskikt till höger och det sockerhärledda kolskiktet mellan två kiselskikt till vänster. Tjockleken på kolskiktet beräknas vara ~ 10–20 nm baserat på kolsignalens spik. Kredit:MRS Advances (2022). DOI:10.1557/s43580-022-00245-y
Ord av ett utomordentligt billigt material, lätt nog att skydda satelliter mot skräp i kylan i yttre rymden, sammanhängande nog för att stärka väggarna i trycksatta kärl som upplever genomsnittliga förhållanden på jorden och ändå tillräckligt värmebeständiga vid 1 500 grader Celsius eller 2 732 grader Fahrenheit till skydda instrument mot flygande skräp, väcker frågan:vilket enskilt material skulle kunna göra allt detta?
Svaret, som finns på Sandia National Laboratories, är sött som socker.
Det beror på att det i själva verket är socker – mycket tunna lager av konditorsocker från livsmedelsbutikerna, bränt till ett tillstånd som kallas kimrök, varvat mellan endast något tjockare lager av kiseldioxid, som är det vanligaste materialet på jorden, och bakat. Resultatet liknar en fin skiktkaka, eller mer exakt, den organiska och oorganiska skiktningen av ett snäckskal, där varje lager hjälper nästa att hålla tillbaka och mildra chock.
"Ett material som kan överleva en mängd olika förolämpningar - mekaniska, stötar och röntgenstrålar - kan användas för att motstå hårda miljöförhållanden", säger Sandia-forskaren Guangping Xu, som ledde utvecklingen av den nya beläggningen. "Det materialet har inte varit lättillgängligt. Vi tror att vår skiktade nanokomposit, som efterliknar strukturen hos ett snäckskal, är det svaret."
Det viktigaste, sa Xu, "Den självmonterade beläggningen är inte bara lätt och mekaniskt stark, utan också tillräckligt termiskt stabil för att skydda instrument i experimentella fusionsmaskiner mot deras eget genererade skräp där temperaturen kan vara cirka 1 500 C. Detta var det första fokuset. av arbetet."
"Och det kan bara vara början", säger konsult Rick Spielman, senior forskare och fysikprofessor vid Laboratory for Laser Energetics vid University of Rochester, krediterad för att ha lett den initiala designen av Sandias Z-maskin, en av destinationerna för vilka nytt material är tänkt. — Det finns säkert hundra användningsområden vi inte tänkt på. Han föreställer sig möjliga elektrodapplikationer som fördröjer, snarare än blockerar, ytelektronemissioner.
Fysikern Chad McCoy vid Sandia National Laboratories Z-maskin laddar provbeläggningar i hållare. När Z avfyras kommer forskare att observera hur väl särskilda beläggningar skyddar föremål som staplas bakom dem. Kredit:Bret Latter, Sandia National Laboratories
Hjälp till kärnkraftsöverlevnadsuppdraget
Beläggningen, som kan skiktas på en mängd olika substrat utan miljöproblem, var föremål för en Sandia-patentansökan i juni 2021, ett inbjudet föredrag vid en pulserande kraftkonferens i december 2021 och igen i en ny teknisk artikel i MRS Advances , där Xu är huvudförfattare.
Arbetet gjordes i väntan på den ökade skärmningen som kommer att behövas för att skydda testobjekt, diagnostik och förare inuti framtidens mer kraftfulla pulserande kraftmaskiner. Sandias pulserande Z-maskin – för närvarande den mest kraftfulla producenten av röntgenstrålning på jorden – och dess efterföljare kommer säkerligen att kräva ännu större skräpskydd mot krafter som kan jämföras med många dynamitstavar som exploderar på nära håll.
"Den nya avskärmningen borde ha en positiv inverkan på vårt kärnkraftsöverlevnadsuppdrag", sa pappersförfattaren och Sandia-fysikern Chad McCoy. "Z är den ljusaste röntgenkällan i världen, men mängden röntgenstrålar är bara ett par procent av den totala energin som frigörs. Resten är chock och skräp. När vi försöker förstå hur materia - som metaller och polymerer – interagerar med röntgenstrålar, vi vill veta om skräp skadar våra prover, har ändrat sin mikrostruktur. Just nu är vi vid gränsen där vi kan skydda provmaterial från oönskade förolämpningar, men mer kraftfulla testmaskiner kommer att kräva bättre avskärmning, och denna nya teknik kan möjliggöra lämpligt skydd."
Andra, mindre specialiserade användningsområden är fortfarande möjligheter.
Den billiga, miljövänliga skölden är lätt nog att åka ut i rymden som ett skyddande lager på satelliter eftersom det behövs jämförelsevis lite material för att uppnå samma motståndskraft som tyngre men mindre effektiv skärmning som för närvarande används för att skydda mot kollisioner med rymdskräp. "Satelliter i rymden träffas ständigt av skräp som rör sig med några kilometer per sekund, samma hastighet som skräp från Z," sa McCoy. "Med den här beläggningen kan vi göra skräpskölden tunnare, vilket minskar vikten."
Tjockare sköldbeläggningar är tillräckligt hållbara för att stärka väggarna i trycksatta kärl när tillsatta uns inte är ett problem.
Dramatisk kostnadsminskning förväntas
Enligt Guangping är materialkostnaden för att tillverka en 2-tums diameter beläggning av det nya skyddsmaterialet, 45 miljondelar av en meter och mikron tjock, bara 25 cent. Däremot kostar en berylliumskiva - den som närmast matchar de termiska och mekaniska egenskaperna hos den nya beläggningen, och som används på Sandias Z-maskin och andra fusionsplatser som skyddande sköldar - $700 till senaste marknadspriser för en 1-tums fyrkant, 23 -mikrontjock wafer, som är 3 800 gånger dyrare än den nya filmen med samma yta och tjocklek.
Båda beläggningarna kan överleva temperaturer långt över 1 000 C, men en ytterligare faktor är att den nya beläggningen är miljövänlig. Endast etanol tillsätts för att underlätta beläggningsprocessen. Beryllium skapar giftiga förhållanden och dess omgivningar måste rengöras från faran efter användning.
Hur testningen fortsatte
Principen med alternerande organiska och oorganiska lager, en viktig faktor för snäckskalets livslängd, är nyckeln till att stärka Sandia-beläggningen. De organiska sockerlagren som bränts till kimrök fungerar som en tätning, sa Sandia-chefen och pappersförfattaren Hongyou Fan. De stoppar också sprickor från att spridas genom den oorganiska kiseldioxidstrukturen och ger lager av dämpning för att öka dess mekaniska styrka, vilket rapporterades för 20 år sedan i ett tidigare Sandia-försök att efterlikna snäckskalsläget.
Greg Frye-Mason, Sandias kampanjchef för Assured Survivability and Agility with Pulsed Power, eller ASAP, Laboratory Directed Research and Development-uppdragskampanj som finansierar forskningen, hade till en början sina tvivel om kolinförandet.
"Jag trodde att de organiska skikten skulle begränsa användbarheten eftersom de flesta bryts ned med 400 till 500 C", sa han.
Men när det kolsvarta konceptet visade robusthet till långt över 1 000 C, övervann det positiva resultatet den största risken som Frye-Mason såg som projektet stod inför.
Mekaniska egenskaper hos representativa höghållfasta material kontra naturligt snäckskal och Sandia National Laboratories-utvecklad beläggning. Kredit:Guangping Xu et al.
Snäckskalsliknande beläggningar som initialt testades på Sandia varierade mellan några till 13 lager. Dessa alternerande material pressades mot varandra efter att ha värmts upp i par, så deras ytor tvärbinds. Tester visade att sådana sammanvävda nanokompositskikt av kiseldioxid med det brända sockret, känd som kimrök efter pyrolys, är 80 % starkare än kiseldioxiden i sig och termiskt stabila till uppskattningsvis 1 650 C. Senare sintringsförsök visade att skikten, självmonterade genom ett spinn -beläggningsprocessen, kunde satsbakas och deras individuella ytor fortfarande tvärbindas på ett tillfredsställande sätt, vilket tar bort det tråkiga med att baka varje lager. Den mer effektiva processen uppnådde nästan samma mekaniska styrka.
Forskningen i beläggningen var avsedd att utveckla metoder för att skydda diagnostik och testprover på Z och nästa generations pulserande kraftmaskiner från flygande skräp.
"Denna beläggning kvalificerar," sa Frye-Mason. + Utforska vidare
