作者:布鲁克海文国家实验室劳拉·姆拉迪奇
该图显示了在3D(上图)和2D可视化(下图)中，熔融盐如何随着时间的推移从样品中去除金属材料(蓝色)
这一过程，即所谓的“去合金化”，产生了一种双连续的多孔金属材料，具有孔隙网络(橙色)
从左到右，图像显示随着反应时间的推移，更多的物质被去除
学分:布鲁克海文国家实验室 一个多学科的科学家团队使用了国家同步加速器光源二号(NSLS二号)
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位于能源部布鲁克海文国家实验室的能源部科学用户办公室，研究高温熔盐如何腐蚀金属合金
该小组发现了一种新的方法，利用熔融盐来制造多孔金属材料，这些多孔金属材料具有微小的孔隙网络和金属韧带，可以应用于各种领域，例如能量存储和传感
他们的工作还支持熔盐反应堆的发展，这种技术可以生产更安全、更便宜、更环保的核能
熔盐是各种应用中高温传热的主要候选介质之一，包括下一代核能和聚光太阳能发电厂
它们具有几个使它们成为理想的特征，例如高沸点、高比热、高热导率和低蒸汽压
然而，熔融盐的挑战之一是它们与合金接触时的腐蚀性
在MSRs中，熔融盐含有溶解形式的核燃料，也是主要的传热流体，在500–900°C(约930–1650°F)下运行
研制熔融盐堆的关键步骤之一是对熔融盐的化学性质以及它们如何在高温下与反应堆中的结构材料相互作用有一个坚实的了解，其中它们的腐蚀效应是一个主要焦点
这项工作有助于通过深入了解熔盐脱合金来实现这一目标，通过这一过程，金属合金中的某些元素在腐蚀过程中优先浸出到熔盐中
这是第一项探索利用熔融盐的腐蚀性来脱合金并有目的地制造多孔结构的研究
这项研究发表在2021年6月9日的《自然通讯》上，是NSLS二号和布鲁克海文领导的极端环境下熔盐能源前沿研究中心(MSEE·EFRC)合作的结果
EFRCs是由美国能源部基础能源科学办公室建立的，旨在将大型团队聚集在一起，应对复杂的跨学科基础研究挑战，促进能源技术的发展
这项工作的MSEE团队包括来自石溪大学、布鲁克海文化学分部和橡树岭国家实验室的成员
“MSEE的任务是提供使MSR技术成为可能所需的基础熔盐科学，”MSEE的主任和论文的作者之一，布鲁克海文化学家詹姆斯·威沙特说
这项工作是在两条NSLS二号光束线上完成的，即全视场x光成像(FXI)光束线和材料测量光束线
“FXI束线采用了一种被称为3D X射线纳米断层扫描的成像技术，这种技术可以产生一系列时间序列的3D可视化图像——本质上是一部3D电影——样本内部结构的分辨率为几十纳米，”FXI束线的首席科学家，也是作者之一的Wah-Keat Lee说
“其他设施也有类似的仪器，但FXI能以20倍的速度产生图像
这就是为什么这条束线对像这样的研究如此有用
" FXI和BMM都提供了另一种称为X射线吸收近边缘结构(XANES)光谱学的技术，该技术被用于产生关于合金元素在脱合金反应期间的氧化状态和局部结构的信息
然后通过计算建模和仿真来补充实验结果
视频显示了金属材料(蓝色)的变化，在此过程中不同时间使用熔融盐进行脱合金处理
在每一步中，我们可以看到更多的空隙(橙色)在材料中产生，形成一个连续的网络
学分:布鲁克海文国家实验室 为了能够对高温熔盐腐蚀进行成像，FXI束线公司的工作人员、NSLS二号的工程师和MSEE研究小组共同开发了一种特殊的微型加热器，能够在材料在高达1000℃的条件下发展时进行实时测量
这本身就是一项重大成就，最近发表在《同步辐射杂志》上的一篇论文记录了这一成就
该团队使用FXI加热器系统，在800℃下，对镍铬合金(80%镍/ 20%铬)丝在氯化钾和氯化镁的50-50%熔融混合物中的形态演变进行了时间分辨
随着时间的推移，铬通过腐蚀从金属丝中浸出，剩余的镍重组为多孔网络
这是研究人员第一次观察到正在经历脱合金过程的材料的三维结构的变化
Stony Brook Ph说:“我们亲眼目睹了样本的变化，能够拍下每一步的视频，这非常了不起。”
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候选人刘晓阳，论文的第一作者之一
研究小组观察到，去合金化过程首先从合金和盐之间的界面开始，并传播到合金的中心，形成孔隙网络
随着铬进一步浸出到熔盐中，由于镍原子在合金表面的扩散，孔隙和空穴变大(这被称为“粗化”)
在这项研究中形成的材料的三维形态被归类为“双连续”，这意味着两个相——合金和盐腐蚀产生的孔隙网络——都是连续和未断裂的
多孔双连续材料因其重量减轻、表面积大、流体通过孔的传质能力以及通过材料基质的导电性或导热性而引起研究人员的极大兴趣
双连续金属合金，尤其是具有细孔尺寸的金属合金，在包括能量存储、传感和催化在内的多个领域具有大量潜在的应用
历史上已经采用了几种方法来制造这些非常受欢迎的材料，包括对最容易腐蚀的元素进行酸蚀，或者选择性溶解在液态金属中
然而，以前没有探索过的熔盐方法通过不同的机制运行，并遵循不同的规则，这些规则可以对浸出和重组过程提供更高程度的控制，从而潜在地产生更好的材料
这种程度的控制是可能的，因为FXI束线的成像能力允许研究人员量化去合金化和粗化过程的速率，因为它们会改变温度、合金和盐成分等参数
“FXI束线对这项工作绝对至关重要，”石溪博士说
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学生亚瑟·朗恩，另一位联合第一作者和共同通讯作者
“它的时间分辨率，能够以出色的纳米级空间分辨率观察微小尺度的结构变化，以及我们共同建造的熔炉，使这项研究成为可能
" 这项工作及其对温度、盐和合金成分影响的持续延伸，对于设计耐久的熔盐反应堆系统非常重要，该反应堆系统跨越一系列温度，在这些温度下，这些过程的腐蚀机理可以预测在不同的位置发生变化，并且还取决于燃料盐的含量
该团队将使用FXI束线和其他先进技术来获得必要的机械信息，以实现这样的预测
在这样做的过程中，他们将获得关键信息，以指导具有特定形态和性能的双连续合金材料的精心制备，用于广泛的应用
“这项工作的背后是众多不可思议的科学家和工程师，”相应的作者卡伦·陈-威格说，她是石溪工程和应用科学学院的助理教授，在NSLS二世大学担任联合职务
“只有通过像MSEE这样的大型研究中心和像NSLS二号这样的世界级设施的合作，我们才能够迈出这一步
我们只是在开始一个奇妙的旅程，用先进的同步加速器技术进一步探索材料和熔盐之间复杂而迷人的相互作用
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