Un ingénieur des matériaux de l'Université de Californie à San Diego dirige le développement d'une nouvelle plate-forme de recherche pour l'étude des matériaux haute performance, en particulier les nouveaux matériaux qui fondent au-dessus de 4000 degrés Celsius (C). Kenneth Vecchio, professeur de nanotechnologie à l'UC San Diego, dirige le projet, qui est financé par une nouvelle subvention de 800,000 XNUMX dollars du US Office of Naval Research (ONR), par le biais du Defence University Research Instrumentation Program (DURIP).

La plate-forme de recherche sera conçue pour répondre spécifiquement aux défis de l'étude de nouveaux matériaux qui fondent à des températures supérieures à 4000 ° C, soit environ 80% de la température de la surface du soleil.

Cette plateforme deviendra une ressource nationale pour les ingénieurs et autres chercheurs qui repoussent les limites de la science des matériaux. Il existe de nombreuses applications industrielles, énergétiques, spatiales et de défense qui bénéficieraient de nouveaux matériaux solides qui fonctionnent de manière fiable à des températures record et ultra-élevées. Les applications comprennent les murs de confinement pour les réacteurs à fusion, les bords d'attaque des véhicules aériens qui voyagent cinq fois ou plus la vitesse du son et les nouvelles méthodes d'usinage de matériaux industriels. (Les pointes des outils de coupe, par exemple, peuvent subir des températures supérieures à 3000 ° C à des vitesses d'usinage élevées. De nouveaux matériaux pour outils de coupe avec des températures de fusion beaucoup plus élevées permettraient une fabrication plus rapide.)

Créer puis caractériser des matériaux qui ne fondent pas tant qu'ils ne sont pas exposés à des températures ultra-élevées présente de multiples défis. En plus de créer des matériaux candidats, les chercheurs doivent être en mesure de caractériser ces matériaux pour démontrer leur performance. L'un des paramètres clés est la température à laquelle les matériaux fondent.

Lorsque vous travaillez à des températures autour de 4000 ° C, rien n'est simple. Par exemple, comment testez-vous le point de fusion de nouveaux matériaux qui fondent à des températures plus élevées que celles des contenants dans lesquels vous pourriez essayer de les contenir? Comment chauffer un échantillon à des températures de l'ordre de 4000 ° C tout en contrôlant précisément la température? Ou comment déterminer exactement quand un échantillon dans des conditions aussi extrêmes fond réellement?

Ce sont quelques-uns des problèmes que Vecchio et son équipe prévoient de résoudre via une plate-forme expérimentale qu'il a conçue et qu'il construira grâce à un nouveau financement de 800 XNUMX $ de la subvention ONR DURIP.

Nouveaux matériaux qui fondent à des températures supérieures à 4000 ° C

Comment augmenter le point de fusion des matériaux qui fondent déjà à des températures ultra élevées? Au cours des cinq dernières années, Vecchio a dirigé un projet de l'UC San Diego financé par le programme d'initiatives de recherche universitaire multidisciplinaire de l'ONR (MURI) pour se concentrer sur cela.

L'équipe adopte une nouvelle approche pour cette tâche difficile. Pour donner un sens à leur stratégie, vous devez d'abord savoir qu'il existe deux phénomènes physiques qui déterminent en grande partie la température à laquelle un matériau solide se fond dans un liquide.

Le premier phénomène est l'enthalpie. L'enthalpie décrit l'énergie associée au maintien d'un matériau sous sa forme solide. Plus l'enthalpie est élevée, plus la liaison entre les deux atomes sera forte et plus vous devrez chauffer le matériau pour le faire fondre en brisant ces liaisons.

Le deuxième phénomène est l'entropie. L'entropie est associée au désordre et décrit l'énergie qui pousse les atomes à se séparer.  

"La fusion dans un solide se produit lorsque l'entropie devient suffisamment élevée pour dépasser l'enthalpie", a déclaré Vecchio.

Le développement de matériaux à très haute température est généralement axé sur l'enthalpie. Mais les chercheurs semblent avoir atteint les limites de l'approche enthalpique, du moins pour les matériaux qui ne réagissent pas avec l'oxygène. Le barrage routier est dû au fait que l'enthalpie de liaison entre les atomes est en grande partie fixe. Cela signifie qu'une fois que vous avez trouvé des matériaux avec l'enthalpie de liaison la plus élevée, il y a peu de place pour augmenter la température de fusion de ce matériau via l'enthalpie.  

Dans leur quête de matériaux qui fondent à des températures toujours plus élevées, Vecchio et son équipe de la UC San Diego Jacobs School of Engineering se sont tournés vers l'autre phénomène contrôlant la température de fusion: l'entropie.

La plupart des gens ont un vague sentiment que l'entropie a quelque chose à voir avec le chaos ou le désordre. Cette notion sera utile pour comprendre cette nouvelle approche de développement de matériaux avec des températures de fusion record.

«Un liquide a un niveau d'entropie très élevé. Les atomes se déplacent tout autour dans un liquide, c'est de l'entropie. Si nous pouvons faire ressembler un solide à un liquide, en termes d'énergie libre, alors il y aura moins de force motrice pour passer de l'état solide à l'état liquide », a déclaré Vecchio.

Faire «ressembler» un solide à un liquide signifie augmenter l'entropie inhérente au matériau lorsqu'il s'agit d'un solide. C'est ce que Vecchio a entrepris de faire. Leur stratégie est d'augmenter le désordre dans les nouveaux matériaux solides à haute température en mélangeant un grand nombre d'atomes différents ensemble.

«Nous créons le désordre grâce au mélange atomique», a déclaré Vecchio.  

En adoptant cette approche, les chercheurs font que leurs matériaux solides semblent structurellement plus similaires à l'état atomique de la forme liquide de ce matériau. Cela réduit la force motrice du solide à «vouloir» fondre, ce qui peut conduire à une augmentation de la température à laquelle il fond.

Par exemple, le carbure de silicium (SiC) est un matériau bien connu avec un point de fusion ultra-élevé de 2730 ° C. Mais il serait utile d'avoir des matériaux apparentés qui fondent même à des températures élevées.

Suivant l'approche centrée sur l'entropie lors de recherches précédentes, Vecchio et ses collaborateurs ont remplacé les atomes de Si par des quantités égales de cinq métaux différents, ce qui a conduit à de nouveaux matériaux avec des températures de fusion encore plus élevées. Ces nouveaux matériaux, appelés carbures à haute entropie, ou plus largement céramiques à haute entropie, sont discutés dans un article de recherche publié dans la revue Acta Materialia en 2019.

Vecchio et son équipe poursuivent également une autre utilisation de l'entropie. Plus d'entropie peut être ajoutée à un système solide-matériau en ajoutant d'autres variations de liaison moléculaire et atomique qui, à elles seules, n'augmenteraient pas la température de fusion. Mais lorsque vous en ajoutez suffisamment dans le système, la diversité des éléments moléculaires et des scénarios de liaison augmente encore l'entropie, ce qui peut augmenter la température à laquelle le solide fond en liquide.

Les chercheurs doivent être capables de valider expérimentalement la température de fusion et d'autres propriétés pour que ces types d'approches du développement de matériaux conduisent à de nouveaux matériaux utiles. C'est là qu'intervient la nouvelle plateforme.

Plateforme de diffraction des rayons X à haute température

La nouvelle plate-forme de diffraction des rayons X à haute température, financée par la subvention ONR DURIP à l'UC San Diego, est conçue pour permettre le chauffage d'une région d'échantillon à 4500 ° C, tout en mesurant sa température de manière très précise et en détectant le début de la fusion.

Les composants du système comprennent: une plate-forme qui permet des mesures à haute vitesse appelée plate-forme de diffraction des rayons X à haute luminosité; un laser haute puissance pour chauffer localement une petite région d'un échantillon de matériau; et un thermomètre de haute technologie (un pyromètre) qui enregistre les températures jusqu'à 4500 ° C en mesurant la longueur d'onde de la lumière émise par la source de chaleur.

«L'intégration de ces trois outils est un défi technique fascinant», a déclaré Vecchio.

Afin de surmonter le «problème du conteneur» dans lequel un conteneur fond avant l'échantillon expérimental qu'il est censé contenir, Vecchio prévoit d'utiliser des échantillons comme leurs propres conteneurs.

«Nous ne chaufferons qu'une petite région circulaire au milieu de l'échantillon à l'aide du laser», a-t-il déclaré.

Le périmètre restant de l'échantillon qui n'est pas exposé au laser servira de récipient qui contient l'échantillon lorsqu'il fond du solide au liquide.

«J'ai hâte de pouvoir partager cette plate-forme unique avec des chercheurs de tout le pays», a déclaré Vecchio. «Les gens ont essayé de concevoir des systèmes pour mesurer les températures de fusion de ces types de matériaux, mais leur plus gros problème scientifique est qu'ils n'ont pas de méthode pour vérifier la structure de l'échantillon au début perçu de la fusion. Ma conception résoudra ce problème », a expliqué Vecchio. «En construisant notre système de fusion à l'intérieur d'une plate-forme de diffraction des rayons X, nous pourrons connaître exactement la structure et le type de matériau présent au moment de la fusion, et nous serons en mesure de vérifier complètement la fusion car elle a un tout autre Résultat de diffraction des rayons X par rapport à un échantillon solide. »

Il estime que l'installation sera opérationnelle d'ici la fin de 2022.

La proposition ONR DURIP financée est intitulée «Mesures thermodynamiques de matériaux à ultra-haute température stabilisés à l’entropie». Le professeur Kenneth Vecchio de l'Université de Californie à San Diego NanoEngineering est le chercheur principal (IP) de la subvention. (Numéro d'attribution ONR: N00014-20-1-2872).

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