Diseñar aleaciones para resistir ambientes extremos es un desafío fundamental para los científicos de materiales. La energía de la radiación puede crear imperfecciones en las aleaciones, por lo que los investigadores en un Centro de Investigación de la Frontera Energética dirigido por el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía están investigando formas de diseñar materiales estructuralesque desarrollan menos defectos más pequeños bajo irradiación. La clave, informan en la revista Nature Communications, es explotar la complejidad que está presente cuando las aleaciones se hacen con cantidades iguales de hasta cuatro elementos metálicos diferentes.
"La complejidad química nos da una forma de modificar las rutas para la disipación de energía y la evolución de defectos", dijo el primer autor Yanwen Zhang, quien dirige un Centro de Investigación de la Frontera de la Energía, llamado "Disipación de Energía para la Evolución de Defectos" o "EDDE", financiado porla Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de los EE. UU. El centro de cultivo tiene casi 15 meses de antigüedad y reúne a más de dos docenas de investigadores con experiencia experimental y en modelos. EDDE tiene socios en los laboratorios nacionales Oak Ridge, Los Alamos y Lawrence Livermore y las universidades de Michigan, Wisconsin-Madison y Tennessee-Knoxville.
La radiación puede dañar las naves espaciales, las centrales nucleares y los aceleradores de alta energía. Las reacciones nucleares producen partículas energéticas, iones y neutrones, que pueden dañar los materiales a medida que su energía se dispersa, provocando la formación de fallas que evolucionan con el tiempo. Materiales estructurales avanzadosque pueden resistir la radiación son una necesidad nacional crítica para las aplicaciones de reactores nucleares. Hoy en día, los reactores nucleares proporcionan una quinta parte de la electricidad de los EE. UU.
En un reactor, una partícula energética puede poner en movimiento miles de átomos que los desplaza de los sitios en una red cristalina. Si bien la mayoría de los átomos desplazados regresan a los sitios de la red a medida que se disipa la energía, algunos no lo hacen. La irradiación puededañar los materiales estructurales hechos de átomos bien ordenados empaquetados en una red, incluso destruyendo su cristalinidad. El conocimiento existente de los efectos de la radiación en los materiales estructurales se debe principalmente a los componentes del núcleo del reactor. Durante la vida útil de un reactor de agua ligera típico, todos los átomos en elLos componentes estructurales se pueden desplazar en promedio 20 veces, y el daño acumulado puede amenazar el rendimiento del material. Para prepararse para los nuevos conceptos de reactor, los científicos tendrán que diseñar materiales nucleares de próxima generación para resistir los átomos desplazados más de 200 veces, un verdadero "gran desafío""
Recetas para el éxito
Desde los albores de la Edad del Hierro hace 3.000 años, las aleaciones metálicas útiles generalmente han compuesto múltiples fases con uno o dos elementos dominantes modificados por la adición de otros elementos. El Gateway Arch en St. Louis, por ejemplo, es un acero inoxidable convencional- hierro con adiciones de cromo y níquel, bajas concentraciones de carbono e incluso cantidades más pequeñas de manganeso, silicio, fósforo y azufre. Recientemente, una clase muy diferente de materiales ha generado un gran interés. En estas aleaciones especiales, variosdiferentes tipos de átomos, en proporciones iguales, se distribuyen al azar en una simple red cristalina. Las aleaciones de alta entropía que comprenden cinco o más especies son ejemplares. De hecho, los investigadores de los laboratorios Berkeley y Oak Ridge han demostrado recientemente que algunas de las aleaciones descubrieron aproximadamente una década.Hace poco, exhiben una fuerza y ductilidad excepcionales a temperaturas criogénicas. En todas estas aleaciones, el desorden químico es intrínseco a su comportamiento.
En comparación, el objetivo del estudio EDDE era encontrar cómo la complejidad de la composición puede conducir a diferencias en la conducción de calor y electricidad e influir en la dinámica del defecto en las primeras etapas que afectan la robustez de un material estructural en las etapas posteriores. Los resultados revelaron cuán avanzadoLas aleaciones logran un rendimiento de irradiación muy mejorado a través de la diversidad química alerta de spoiler: optimizan la estructura electrónica y las disposiciones atómicas.
Se necesitó un equipo con muchas habilidades para explorar un nuevo conjunto de aleaciones que contienen níquel y cantidades iguales de otros elementos. Una receta probó dúos de ingredientes por ejemplo, níquel-cobalto mientras que otros probaron trillizos por ejemplo, níquel-cromo-cobalto o cuartetos p. ej., níquel-cromo-hierro-cobalto. Los elementos químicos, distribuidos aleatoriamente en la red cristalina, crean distorsiones microscópicas únicas de sitio a sitio. Sin embargo, la red retiene su estructura cristalina macroscópica.
Integrando la teoría y el experimento, los científicos cultivaron cristales de aleación de calidad inigualable, calcularon cambios en las estructuras electrónicas y las propiedades de transporte intrínsecas inducidas por el desorden químico, y confirmaron los resultados computacionales con mediciones experimentales de la resistividad eléctrica y conductividad térmica de cada cristal.Los resultados de la irradiación iónica, el modelado de la producción de defectos, el análisis del haz de iones y la caracterización microestructural de las aleaciones irradiadas muestran una producción de defectos significativamente reducida y la acumulación de daños en estos materiales. Los resultados sugieren un vínculo entre la disipación lenta de energía y la evolución de defectos suprimidos.
"Observamos una acumulación de daño suprimida con el desorden químico creciente de níquel puro a binario y a [aleaciones] cuaternarias más complejas", dijo Zhang.
La estructura de banda electrónica de un material determina qué tan bien los electrones pueden conducir la electricidad y el calor. En un metal típico, digamos un cristal metálico de níquel puro, la energía se disipa rápidamente porque los electrones apenas se dispersan, cuando una partícula energética alcanza el orden atómico perfecto delcristal, la onda de energía resultante está libre de obstrucciones y puede propagarse rápidamente, dejando poca energía en el sitio de colisión. Sin embargo, en la disposición atómica de un cristal de aleación desordenada multicomponente, cuando la partícula energética golpea un átomo reticular, la energíaencuentra obstrucciones y permanece local, y por más tiempo.
El estudio EDDE mostró que se producían menos defectos y más pequeños a medida que aumentaba la complejidad de la aleación. También mostró una mejora dramática en las propiedades relacionadas con la resistencia al daño por radiación.
Resulta que solo aumentar el número de elementos y, por lo tanto, el desorden o la entropía en la receta no necesariamente produce las mejores aleaciones para funciones específicas. Determinar qué combinaciones funcionan mejor depende de aspectos que incluyen distorsiones estructurales locales y químicos, propiedades electrónicas y magnéticas de los átomos constituyentes.
Con una conductividad eléctrica y térmica dramáticamente menor que las aleaciones tradicionales, las aleaciones de próxima generación basadas en recetas con alto desorden químico pueden ralentizar la disipación de energía y experimentar muchos menos defectos que debilitan los materiales estructurales con el tiempo. La evidencia de que la lenta disipación de energía puede eliminar algunosLos defectos locales incluso sugieren la posibilidad de desarrollar materiales estructurales nucleares autorreparables.
Se necesitan más estudios para comprender cómo la complejidad de la aleación puede adaptar las propiedades del material. El conocimiento adquirido puede estimular nuevos principios de diseño de aleaciones para sistemas de energía avanzados y reducir el ensayo y error para acelerar "materiales por diseño".
"Estas ideas sobre la dinámica de defectos a nivel de átomos y electrones proporcionan un camino innovador para resolver un desafío de larga data en materiales estructurales", dijo Zhang.
El título del artículo es "Influencia del desorden químico en la disipación de energía y la evolución de defectos en aleaciones de solución sólida concentrada".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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