Giải mã cơ chế của các lớp bảo vệ trên lò phản ứng tổng hợp chống bong tróc
TP HỒ CHÍ MINH, 25 tháng 8 năm 2023 — Các lò phản ứng tổng hợp, lò phản ứng nhanh, và nhà máy nhiệt mặt trời nhiệt dung đang được phát triển như các nhà máy điện có tác động môi trường thấp và không bị hạn chế về nguồn lực. Vì các nhà máy điện này hoạt động ở nhiệt độ cao với việc truyền nhiệt lớn, các nhà khoa học đang nghiên cứu sử dụng các thành phần sử dụng kim loại lỏng (có hiệu suất truyền nhiệt tuyệt vời) làm chất làm mát. Chăn lỏng kim loại (tường kim loại được lắp đặt trong lõi) và divertor kim loại lỏng (nhận nhiệt và xả khí thải) là những thành phần quan trọng nhất của lò phản ứng tổng hợp và đã thu hút sự chú ý như các thiết bị chuyển đổi năng lượng đột phá. Tuy nhiên, việc lựa chọn các vật liệu cấu trúc tương thích hóa học với kim loại lỏng nhiệt độ cao là một thách thức.
Phó giáo sư Masatoshi Kondo của Viện Công nghệ Tokyo đã tiến hành nghiên cứu về khả năng kháng ăn mòn hóa học của các chất làm mát kim loại lỏng với các vật liệu cấu trúc hàng đầu. Ông phát hiện ra rằng nguyên nhân gây ăn mòn là sự rửa trôi các thành phần kim loại từ các vật liệu tiếp xúc với kim loại lỏng và hợp kim hóa của kim loại lỏng và thép. Trong bối cảnh đó, ông nhận thấy rằng ăn mòn có thể giảm đáng kể bằng cách hình thành một lớp oxit bảo vệ compact trên bề mặt các vật liệu cấu trúc của các thành phần kim loại lỏng. Sự hình thành một lớp oxit bảo vệ ổn định ngăn chặn sự ăn mòn như vậy là chìa khóa để biến các thành phần dựa trên kim loại lỏng thành hiện thực.
Nhóm nghiên cứu chung do Phó giáo sư Kondo dẫn đầu, hợp tác với Đại học Quốc gia Yokohama và Viện Khoa học Phản ứng Hợp nhất Quốc gia, tập trung vào thực tế rằng các hợp kim ODS FeCrAl hình thành một lớp α-Al2O3 (nhôm oxit alpha) bao gồm một cấu trúc compact, và xác định các yếu tố có thể thúc đẩy sự phát triển của lớp và cơ chế làm cho lớp kháng lại việc bóc tách khỏi lớp nền.
Lớp α-Al2O3 cung cấp sự bảo vệ xuất sắc trong các môi trường kim loại lỏng nhiệt độ cao. Hợp kim ODS Fe15Cr7Al có độ bền nhiệt độ cao xuất sắc và là vật liệu cấu trúc tiềm năng mạnh mẽ cho các nhà máy điện thế hệ tiếp theo. Hợp kim có thể bị oxy hóa ở 1000°C trong không khí trong 10 giờ để hình thành một lớp α-Al2O3. Hình 1 cho thấy hình ảnh kính hiển vi cắt ngang của lớp α-Al2O3 được hình thành trên hợp kim ODS Fe15Cr7Al và phân bố các nguyên tố cấu thành của nó. Mặc dù nó chỉ dày 1,28 micron, khoảng 1/80 độ dày của một sợi tóc người, nó có cấu trúc cực kỳ compact với sự phân bố đồng đều của nhôm và oxy, như được thể hiện trong Hình 1(b). Đồng thời, nhóm phát hiện ra rằng các oxit của các nguyên tố phản ứng như Ti, Y và Zr được hình thành trong lớp α-Al2O3, như được thể hiện trong Hình 1(c). Điều này là do các nguyên tố phản ứng mà hợp kim ODS Fe15Cr7Al giữ phân tán dưới dạng các hạt oxit nhỏ trong cấu trúc vi mô của nó đã di chuyển vào lớp để hình thành các oxit. So sánh cấu trúc vi mô và tốc độ phát triển của lớp oxit được hình thành bởi một số loại hợp kim FeCrAl cho thấy các hợp kim không có các nguyên tố phản ứng không hình thành các oxit trong lớp, và sự phát triển của lớp của chúng chậm. Các oxit kéo dài của các nguyên tố phản ứng này hoạt động như “đường khuyếch tán oxy duy nhất” thúc đẩy sự phát triển của lớp và cải thiện các đặc tính hàng rào (Hình 2).
Lớp bảo vệ phải kháng lại việc bong tróc. Trong nghiên cứu này, nhóm thực hiện một thử nghiệm xước trên lớp α-Al2O3 được hình thành trên hợp kim ODS-FeCrAl để đo lường độ lớn của lực cần thiết để làm xước và bóc tách lớp với một kim nhọn. Kết quả cho thấy hợp kim ODS-FeCrAl có đặc tính bám dính xuất sắc. Cơ chế mà lớp α-Al2O3 trở nên kháng lại việc bong tróc được tóm tắt trong Hình 2. Trước tiên, các oxit của các nguyên tố phản ứng được hình thành từ lớp nền về phía lớp nắm chặt cấu trúc vi mô của lớp, giống như cọc được sử dụng để cố định một lều, và góp phần vào sức bền bám dính được cải thiện. Đây được gọi là hiệu ứng ghim.
Một giao diện không ổn định với cấu trúc xù xì đã được hình thành giữa lớp α-Al2O3 và lớp nền, và như được thể hiện trong Hình 3(a), độ sâu của giao diện xù xì này sâu hơn khi lớp phát triển dày hơn. Hơn nữa, như được thể hiện trong Hình 3(b), giao diện xù xì càng sâu thì ứng suất cắt cần thiết để bóc tách lớp α-Al2O3 càng lớn, tức là độ bền bám dính của lớp càng mạnh. Trong mẫu với đường khuyếch tán oxy được mô tả ở trên, sự phát triển của lớp được thúc đẩy theo cách vừa phải không đồng đều, dẫn đến giao diện xù xì sâu hơn và hiệu ứng neo chặt mạnh mẽ. Có các phương pháp khác để hình thành lớp oxit và các lớp khác thông qua dung dịch, nhưng so với các phương pháp đó, các lớp được hình thành trong nghiên cứu này có độ bám dính mạnh hơn và có thể chịu được dòng chảy của kim loại lỏng với cấu trúc compact.
Sự phát triển của công nghệ rào cản compact, kháng bong tróc đã cung cấp triển vọng đầy hứa hẹn để kéo dài tuổi thọ của các thành phần kim loại lỏng như chăn lỏng và divertor. Việc triển khai công nghệ kim loại lỏng trong các nhà máy điện tiên tiến như lò phản ứng tổng hợp và trong công nghệ khử muối và làm sạch môi trường dự kiến sẽ thúc đẩy việc tạo ra một xã hội trung hòa carbon.
Tham khảo
|
|