Observer les effets de l'hydrogène dans le métal

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L'hydrogène, le deuxième plus petit de tous les atomes, peut pénétrer directement dans la structure cristalline d'un métal solide.

C'est une bonne nouvelle pour les efforts visant à stocker l'hydrogène en toute sécurité dans le métal lui-même, mais c'est une mauvaise nouvelle pour des structures telles que les cuves sous pression des centrales nucléaires, où l'absorption d'hydrogène finit par rendre les parois métalliques de la cuve plus fragiles, ce qui peut entraîner une défaillance. Mais ce processus de fragilisation est difficile à observer car les atomes d'hydrogène diffusent très rapidement, même à l'intérieur du métal solide.

Maintenant, des chercheurs du MIT ont trouvé un moyen de contourner ce problème, en créant une nouvelle technique qui permet l'observation d'une surface métallique pendant la pénétration de l'hydrogène. Leurs découvertes sont décrites dans un article paru aujourd'hui dans l'International Journal of Hydrogen Energy, par le post-doctorant du MIT Jinwoo Kim et Thomas B. King, professeur adjoint de métallurgie C. Cem Tasan.

"C'est vraiment un outil cool", déclare Chris San Marchi, un membre distingué du personnel technique des laboratoires nationaux de Sandia, qui n'a pas participé à ce travail. "Cette nouvelle plate-forme d'imagerie a le potentiel de répondre à des questions intéressantes sur le transport et le piégeage de l'hydrogène dans les matériaux, et potentiellement sur le rôle de la cristallographie et des constituants microstructuraux sur le processus de fragilisation."

Le carburant hydrogène est considéré comme un outil potentiellement majeur pour limiter le changement climatique mondial car il s'agit d'un carburant à haute énergie qui pourrait éventuellement être utilisé dans les voitures et les avions. Cependant, des réservoirs à haute pression coûteux et lourds sont nécessaires pour le contenir. Stocker le carburant dans le réseau cristallin du métal lui-même pourrait être moins cher, plus léger et plus sûr, mais il faut d'abord mieux comprendre le processus d'entrée et de sortie de l'hydrogène dans le métal.

"L'hydrogène peut se diffuser à des taux relativement élevés dans le métal, car il est si petit", explique Tasan. "Si vous prenez un métal et que vous le placez dans un environnement riche en hydrogène, il absorbera l'hydrogène, ce qui provoquera une fragilisation par l'hydrogène", dit-il. En effet, les atomes d'hydrogène ont tendance à se séparer dans certaines parties du réseau cristallin métallique, affaiblissant ses liaisons chimiques.

La nouvelle façon d'observer le processus de fragilisation au fur et à mesure qu'il se produit peut aider à révéler comment la fragilisation se déclenche, et elle peut suggérer des moyens de ralentir le processus - ou de l'éviter en concevant des alliages moins vulnérables à la fragilisation.

San Marchi de Sandia dit que "cette méthode peut jouer un rôle important - en coordination avec d'autres techniques et simulations - pour éclairer les interactions hydrogène-défaut qui conduisent à la fragilisation par l'hydrogène. Avec une compréhension plus complète des mécanismes de fragilisation par l'hydrogène, les matériaux et les microstructures peuvent être conçus pour améliorer leurs performances dans des environnements extrêmes d'hydrogène. "

La clé du nouveau processus de surveillance consistait à concevoir un moyen d'exposer les surfaces métalliques à un environnement d'hydrogène à l'intérieur de la chambre à vide d'un microscope électronique à balayage (MEB). Étant donné que le SEM nécessite un vide pour son fonctionnement, l'hydrogène gazeux ne peut pas être chargé dans le métal à l'intérieur de l'instrument, et s'il est préchargé, le gaz se diffuse rapidement. Au lieu de cela, les chercheurs ont utilisé un électrolyte liquide qui pourrait être contenu dans une chambre bien scellée, où il est exposé au dessous d'une fine feuille de métal. La partie supérieure du métal est exposée au faisceau d'électrons SEM, qui peut alors sonder la structure du métal et observer les effets des atomes d'hydrogène qui y migrent.

L'hydrogène de l'électrolyte "se diffuse jusqu'au sommet" du métal, où ses effets peuvent être observés, explique Tasan. La conception de base de ce système confiné pourrait également être utilisée dans d'autres types d'instruments basés sur le vide pour détecter d'autres propriétés. "C'est une configuration unique. À notre connaissance, la seule au monde capable de réaliser quelque chose comme ça", dit-il.

Les images au microscope électronique montrent l'accumulation d'hydrogène dans la structure cristalline d'un alliage de titane. Les images révèlent la façon dont l'hydrogène, représenté en bleu, migre préférentiellement dans les interfaces entre les grains de cristal dans le métal. Avec l'aimable autorisation des chercheurs.

Lors de leurs premiers tests sur trois métaux différents - deux types différents d'acier inoxydable et un alliage de titane - les chercheurs ont déjà fait de nouvelles découvertes. Par exemple, ils ont observé le processus de formation et de croissance d'une phase hydrure à l'échelle nanométrique dans l'alliage de titane le plus couramment utilisé, à température ambiante et en temps réel.

La conception d'un système étanche était cruciale pour que le processus fonctionne. L'électrolyte nécessaire pour charger le métal en hydrogène "est un peu dangereux pour le microscope", explique Tasan. "Si l'échantillon échoue et que l'électrolyte est libéré dans la chambre du microscope", il pourrait pénétrer loin dans tous les coins et recoins de l'appareil et être difficile à nettoyer. Lorsque le moment est venu de réaliser leur première expérience dans l'équipement spécialisé et coûteux, dit-il, "nous étions excités, mais aussi très nerveux. Il était peu probable qu'un échec se produise, mais il y a toujours cette peur."

Kaneaki Tsuzaki, un éminent professeur de génie chimique à l'Université de Kyushu au Japon, déclare que cela "pourrait être une technique clé pour résoudre la façon dont l'hydrogène affecte le mouvement de dislocation. C'est très difficile car une solution acide pour la charge cathodique d'hydrogène circule dans une chambre SEM. C'est l'une des mesures les plus dangereuses pour la machine. pour fabriquer cet équipement de mesure."

Tsuzaki ajoute qu'"une fois qu'elle est accomplie, les sorties de cette méthode seraient super. Elle a une résolution spatiale très élevée grâce au SEM ; elle donne des observations in situ sous une atmosphère d'hydrogène bien contrôlée". En conséquence, dit-il, il pense que Tasan et Kim "obtiendront de nouvelles découvertes sur le mouvement de dislocation assisté par l'hydrogène grâce à cette nouvelle méthode, résoudront le mécanisme de dégradation mécanique induite par l'hydrogène et développeront de nouveaux matériaux résistants à l'hydrogène".

Le travail a été soutenu par Exelon Corp par le biais du Centre d'énergie à faible émission de carbone de la MIT Energy Initiative pour les systèmes d'énergie nucléaire avancés.

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