การเคลือบที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมีประสิทธิภาพเหนือกว่าวัสดุทั่วไป — ScienceDaily

คำพูดของวัสดุราคาไม่แพงเป็นพิเศษ น้ำหนักเบาพอที่จะปกป้องดาวเทียมจากเศษเล็กเศษน้อยในที่เย็นของอวกาศรอบนอก เหนียวพอที่จะเสริมความแข็งแกร่งให้กับผนังของภาชนะรับแรงดันที่ประสบสภาวะปกติบนโลก และยังทนความร้อนได้เพียงพอที่ 1,500 องศาเซลเซียสหรือ 2,732 องศาฟาเรนไฮต์ถึง อุปกรณ์ป้องกันเศษบิน ทำให้เกิดคำถาม: วัสดุชนิดเดียวสามารถทำอะไรทั้งหมดนี้ได้? คำตอบที่พบใน Sandia National Laboratories นั้นหวานเหมือนน้ำตาล

นั่นเป็นเพราะว่า แท้จริงแล้ว น้ำตาล ซึ่งเป็นชั้นที่บางมากของน้ำตาลไอซิ่งจากร้านขายของชำ ถูกเผาเป็นสถานะที่เรียกว่าคาร์บอนแบล็ก ซึ่งกระจายอยู่ระหว่างชั้นซิลิกาที่หนากว่าเล็กน้อยเท่านั้น ซึ่งเป็นวัสดุที่พบได้ทั่วไปบนโลก และอบ . ผลที่ได้จะคล้ายกับเค้กชั้นบางๆ หรือที่แม่นยำกว่านั้นคือ ชั้นเปลือกหอยแบบออร์แกนิกและอนินทรีย์ของเปลือกหอย แต่ละชั้นช่วยให้ชั้นถัดไปกักเก็บและบรรเทาแรงกระแทก

Guangping Xu นักวิจัยของ Sandia ซึ่งเป็นผู้นำการพัฒนาสารเคลือบใหม่ กล่าวว่า “วัสดุที่สามารถทนต่อการดูถูกต่างๆ เช่น กลไก การกระแทก และรังสีเอกซ์ สามารถนำมาใช้เพื่อทนต่อสภาพแวดล้อมที่รุนแรงได้ “วัสดุนั้นยังไม่พร้อมใช้ เราเชื่อว่านาโนคอมโพสิตชั้นของเรา ซึ่งเลียนแบบโครงสร้างของเปลือกหอยคือคำตอบนั้น”

ที่สำคัญที่สุด Xu กล่าวว่า “การเคลือบที่ประกอบเองไม่เพียงแต่มีน้ำหนักเบาและแข็งแรงทางกลไกเท่านั้น แต่ยังมีเสถียรภาพทางความร้อนเพียงพอที่จะปกป้องเครื่องมือในเครื่องทดลองฟิวชันจากเศษซากที่สร้างขึ้นเองซึ่งมีอุณหภูมิประมาณ 1,500 องศาเซลเซียส นี่คือจุดโฟกัสเริ่มต้น ของงาน”

“และนั่นอาจเป็นเพียงจุดเริ่มต้น” ที่ปรึกษา Rick Spielman นักวิทยาศาสตร์อาวุโสและศาสตราจารย์ฟิสิกส์จาก Laboratory for Laser Energetics ที่มหาวิทยาลัย Rochester กล่าวซึ่งได้รับการยกย่องว่าเป็นผู้นำในการออกแบบเครื่อง Z ของ Sandia ซึ่งเป็นหนึ่งในจุดหมายปลายทางที่ วัสดุใหม่มีจุดมุ่งหมาย “อาจมีหลายร้อยการใช้งานที่เราไม่ได้คิด” เขานึกภาพการใช้งานอิเล็กโทรดที่เป็นไปได้ล่าช้า แทนที่จะปิดกั้นการปล่อยอิเล็กตรอนบนพื้นผิว ช่วยเหลือภารกิจการเอาตัวรอดจากนิวเคลียร์

สารเคลือบซึ่งสามารถเคลือบเป็นชั้นบนพื้นผิวต่างๆ ได้โดยไม่มีปัญหาด้านสิ่งแวดล้อม เป็นเรื่องของการยื่นขอจดสิทธิบัตร Sandia ในเดือนมิถุนายน 2564 การบรรยายที่ได้รับเชิญในการประชุมเกี่ยวกับพลังงานแบบพัลซิ่งในเดือนธันวาคม พ.ศ. 2564 และอีกครั้งในบทความทางเทคนิคล่าสุดในบทความ MRS Advancesซึ่ง Xu เป็นผู้เขียนนำ

งานนี้เสร็จสิ้นโดยรอการหุ้มเกราะที่เพิ่มขึ้นซึ่งจำเป็นต่อการปกป้องวัตถุทดสอบ การวินิจฉัย และไดรเวอร์ภายในเครื่องจ่ายพลังงานพัลซิ่งที่ทรงพลังกว่าแห่งอนาคต เครื่อง Z แบบพัลซิ่งของ Sandia ซึ่งปัจจุบันเป็นผู้ผลิตรังสีเอกซ์ที่ทรงพลังที่สุดในโลก และผู้สืบทอดต่อจากนี้จะต้องมีการป้องกันเศษซากที่มากขึ้นจากแรงที่สามารถเทียบกับแท่งไดนาไมต์จำนวนมากที่ระเบิดในระยะใกล้ Chad McCoy โหลดสารเคลือบตัวอย่างที่เครื่อง Z ของ Sandia

นักฟิสิกส์ Chad McCoy ที่เครื่อง Z ของ Sandia National Laboratories บรรจุสารเคลือบตัวอย่างลงในที่จับ เมื่อ Z ยิง นักวิจัยจะสังเกตว่าสารเคลือบพิเศษปกป้องวัตถุที่ซ้อนกันได้ดีเพียงใด (ภาพโดย Bret Latter) คลิกรูปขนาดย่อเพื่อดูภาพความละเอียดสูง

Chad McCoy นักฟิสิกส์และนักฟิสิกส์ Sandia กล่าวว่า “การป้องกันใหม่น่าจะส่งผลดีต่อภารกิจความอยู่รอดของนิวเคลียร์ของเรา “Z เป็นแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์ที่สว่างที่สุดในโลก แต่ปริมาณรังสีเอกซ์มีเพียงแค่สองสามเปอร์เซ็นต์ของพลังงานทั้งหมดที่ปล่อยออกมา ส่วนที่เหลือเป็นการกระแทกและเศษเล็กเศษน้อย เมื่อเราพยายามทำความเข้าใจว่าสสารเช่นโลหะเป็นอย่างไร และโพลีเมอร์ — โต้ตอบกับรังสีเอกซ์ เราต้องการทราบว่าเศษซากทำลายตัวอย่างของเราหรือไม่ ได้เปลี่ยนโครงสร้างจุลภาคของมันแล้ว ขณะนี้ เรามาถึงขีดจำกัดแล้วที่เราจะปกป้องวัสดุตัวอย่างจากการดูถูกที่ไม่พึงประสงค์ได้ จะต้องมีการป้องกันที่ดีขึ้น และเทคโนโลยีใหม่นี้อาจเปิดใช้งานการป้องกันที่เหมาะสม”

การใช้งานอื่นๆ ที่มีความเชี่ยวชาญน้อยกว่ายังคงมีความเป็นไปได้

เกราะป้องกันราคาถูกและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมนั้นเบาพอที่จะขี่ไปในอวกาศเป็นชั้นป้องกันบนดาวเทียมได้ เนื่องจากจำเป็นต้องใช้วัสดุที่ค่อนข้างน้อยเพื่อให้ได้ความยืดหยุ่นเช่นเดียวกับเกราะที่หนักกว่า แต่มีประสิทธิภาพน้อยกว่าที่ใช้อยู่ในปัจจุบันเพื่อป้องกันการชนกับขยะอวกาศ McCoy กล่าวว่า “ดาวเทียมในอวกาศโดนกระแทกอย่างต่อเนื่องโดยเศษซากที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วไม่กี่กิโลเมตรต่อวินาที ซึ่งเป็นความเร็วเดียวกับเศษซากจาก Z “ด้วยการเคลือบนี้ เราสามารถทำให้เกราะป้องกันเศษซากบางลง ลดน้ำหนักลงได้”

การเคลือบชิลด์ที่หนาขึ้นนั้นทนทานพอที่จะเสริมความแข็งแกร่งให้กับผนังของภาชนะรับแรงดันเมื่อเพิ่มออนซ์ไม่ใช่ปัญหา คาดว่าจะลดต้นทุนได้อย่างมาก

จากข้อมูลของ Guangping ต้นทุนวัสดุในการผลิตการเคลือบเส้นผ่านศูนย์กลาง 2 นิ้วของวัสดุป้องกันชนิดใหม่ ซึ่งมีความหนา 45 ล้านในหนึ่งเมตรและไมครอน อยู่ที่ 25 เซ็นต์เท่านั้น ในทางตรงกันข้าม เบริลเลียมเวเฟอร์ ซึ่งใกล้เคียงที่สุดกับคุณสมบัติทางความร้อนและทางกลของสารเคลือบชนิดใหม่ และในการใช้งานที่เครื่อง Z ของ Sandia และสถานที่หลอมรวมอื่นๆ เพื่อเป็นเกราะป้องกัน ราคา 700 เหรียญสหรัฐฯ ที่ราคาตลาดล่าสุดสำหรับพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัสขนาด 1 นิ้ว ,เวเฟอร์หนา 23 ไมครอน ซึ่งแพงกว่าฟิล์มใหม่ที่มีพื้นที่และความหนาเท่ากันถึง 3,800 เท่า

สารเคลือบทั้งสองชนิดสามารถอยู่รอดได้ในอุณหภูมิที่สูงกว่า 1,000 องศาเซลเซียส แต่สิ่งที่ต้องพิจารณาเพิ่มเติมคือสารเคลือบชนิดใหม่นี้เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม เติมเอทานอลเท่านั้นเพื่ออำนวยความสะดวกในกระบวนการเคลือบ เบริลเลียมสร้างสภาวะที่เป็นพิษ และสภาพแวดล้อมจะต้องได้รับการชำระล้างจากอันตรายหลังการใช้งาน การทดสอบดำเนินไปอย่างไร

หลักการของการสลับชั้นอินทรีย์และอนินทรีย์ ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญที่ทำให้เปลือกหอยมีอายุยืนยาว เป็นกุญแจสำคัญในการเสริมความแข็งแกร่งให้กับสารเคลือบแซนเดีย Hongyou Fan ผู้จัดการและผู้เขียนกระดาษกล่าวว่า ชั้นน้ำตาลออร์แกนิกที่ถูกเผาเป็นคาร์บอนแบล็คเป็นเหมือนยาอุดรู พวกเขายังหยุดรอยแตกไม่ให้แพร่กระจายผ่านโครงสร้างซิลิกาอนินทรีย์และให้ชั้นกันกระแทกเพื่อเพิ่มความแข็งแรงทางกล ดังที่รายงานเมื่อ 20 ปีที่แล้วใน Sandia ก่อนหน้านี้ที่พยายามเลียนแบบโหมดเปลือกหอย

Greg Frye-Mason ผู้จัดการแคมเปญ Sandia สำหรับ Assured Survivability and Agility with Pulsed Power หรือ ASAP ภารกิจการรณรงค์เพื่อการวิจัยและการพัฒนาที่มุ่งเป้าไปที่ห้องปฏิบัติการซึ่งให้ทุนสนับสนุนการวิจัย ในขั้นต้นมีข้อสงสัยเกี่ยวกับการแทรกคาร์บอน

“ฉันคิดว่าชั้นอินทรีย์จะจำกัดการบังคับใช้เนื่องจากส่วนใหญ่ย่อยสลายได้ 400 ถึง 500 องศาเซลเซียส” เขากล่าว

แต่เมื่อแนวคิดคาร์บอนแบล็กแสดงให้เห็นถึงความทนทานที่มากกว่า 1,000 C ผลลัพธ์ที่เป็นบวกก็เอาชนะความเสี่ยงที่ใหญ่ที่สุดที่ Frye-Mason เห็นว่ากำลังเผชิญกับโครงการ

สารเคลือบคล้ายเปลือกหอยที่ทดสอบครั้งแรกที่ Sandia มีความหลากหลายตั้งแต่สองสามถึง 13 ชั้น วัสดุสลับกันเหล่านี้ถูกกดทับกันหลังจากถูกทำให้ร้อนเป็นคู่ ดังนั้นพื้นผิวของพวกมันจึงเชื่อมขวาง การทดสอบแสดงให้เห็นว่าชั้นซิลิกานาโนคอมโพสิตที่ผสานเข้ากับน้ำตาลไหม้หรือที่เรียกว่าคาร์บอนแบล็กหลังจากไพโรไลซิสนั้นแข็งแกร่งกว่าซิลิกาถึง 80% และมีความเสถียรทางความร้อนอยู่ที่ประมาณ 1,650 องศาเซลเซียส ความพยายามในการเผาภายหลังพบว่าชั้นที่ประกอบขึ้นเองผ่านการหมุน – กระบวนการเคลือบ สามารถอบเป็นชุด และแต่ละพื้นผิวยังคงเชื่อมขวางได้อย่างน่าพอใจ ขจัดความน่าเบื่อของการอบในแต่ละชั้น กระบวนการที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นทำให้มีความแข็งแรงเชิงกลเกือบเท่ากัน

การวิจัยเกี่ยวกับการเคลือบได้รับทุนจาก ASAP เพื่อพัฒนาวิธีการปกป้องการวินิจฉัยและทดสอบตัวอย่างบน Z และบนเครื่องพัลซิ่งไฟฟ้ายุคหน้าจากเศษซากที่บินได้

“สารเคลือบนี้มีคุณสมบัติ” Frye-Mason กล่าว

.

(Visited 1 times, 1 visits today)

Be the first to comment

Leave a comment

Your email address will not be published.


*