寻找有史以来最耐热的物质
有史以来最耐用、最耐热的材料可能就隐藏在人们的视线中。
美国国防部想知道在地球和太空中发现的矿物和岩石是否蕴藏着下一代高温材料的秘密。为了找到答案，国防部通过其多学科大学研究计划 (MURI) 向弗吉尼亚大学和亚利桑那州立大学的一个团队拨款 625 万美元。该小组由弗吉尼亚大学的伊丽莎白·J·奥皮拉 (Elizabeth J. Opila) 领导，她是劳斯莱斯联邦教授兼材料科学与工程系系主任。
竞争激烈的 MURI 为基础科学研究提供资金，国防部希望通过来自多个学科的集体见解在其感兴趣的领域取得突破。
读《岩石》
“由于能源生产、高超音速技术以及增材制造等新事物的需求，现在是高温材料的繁荣时期，”奥皮拉说。“[人们]正在探索新的构图空间，在其中以不同的方式混合不同的元素。最重要的是，我们正在考虑这种受地质和行星启发的材料，这很有趣。”
奥皮拉说，与科学家通常使用的化合物材料相比，矿物和岩石非常复杂，这就是该项目的潜力令人兴奋的原因。
“地质学家真正关注的是地球是如何形成的，以及我们在哪里可以找到这些不同的物质，”奥皮拉说。“我们希望利用这些知识并将其带入应用领域。”
选择特定的物理特性，研究人员将复制大自然对矿物成分、温度、压力以及这些力的快速变化的使用，以制造合成材料。我们的目标是大幅扩展并为其他人记录高温材料的加工方法和成分，以超越人类或自然创造的任何东西。
寻找耐火材料
为了满足对更好的耐火材料的需求——那些在高温或腐蚀条件下能够抵抗弱化、熔化或分解的材料，陆研究办公室呼吁就地球和外星材料中的紧急耐火行为提出建议。Opila 的团队有几个目标，其中包括设计、制造、测试和描述一系列新材料，这些材料的性能优于当前在极热环境中使用的陶瓷、合金和涂层，例如 3,000 度的喷气发动机。
Opila 是前 NASA 科学家和耐热耐腐蚀材料创新者。她的合作者是弗吉尼亚大学工程与应用科学学院和亚利桑那州立大学物质、运输和能源工程学院的地质学、计算模型和材料科学专家;分子科学;以及地球和太空探索。
快速发现
Opila 的 UVA 工程系联合首席研究员包括帕特里克·E·霍普金斯 (Patrick E. Hopkins)、惠特尼·斯通 (Whitney Stone) 机械和航空航天工程教授，以及材料科学与工程系助理教授周必成 ( Bi-Cheng Zhou)。
霍普金斯大学的ExSiTE 实验室专门研究基于激光的热性能测量技术。他的实验室将有助于表征团队提出的材料。
Zhou 是一位计算建模师，因发明CALPHAD 方法的变体以扩展其功能而闻名。他和另一位计算建模专家、亚利桑那州立大学材料科学与工程助理教授洪其将利用各自的专业知识，快速发现有前途的“配方”，供两所学校的实验实验室尝试。
亚利桑那州立大学实验室由著名热力学跨学科专家、纳夫洛茨基·艾林宇宙材料中心主任亚历山德拉·纳夫洛茨基(Alexandra Navrotsky )和矿物学家、材料化学家、亚利桑那州立大学分子科学学院和地球与空间探索学院教授徐洪武负责管理。。
奥皮拉说，这些团队将制作和分析预期的配方——经常交换样品进行测试，她的实验室会带来极高的热量，而亚利桑那州立大学的实验室则施加高压和高温测试。
剪优惠券
UVA 博士说，测试样品的合成通常从粉末形式的元素开始。学生 Pádraigín Stack，通过化学改变来分离目标材料或目标的组成部分。
这种新的成分经过稀释、加热和干燥后重新变成粉末，然后进行烧结，这一过程需要施加足够的热量和压力以形成致密的材料圆球。冰球的薄片(称为优惠券)为研究人员提供了进行各种测试的样本，例如，在奥皮拉实验室将其暴露于高速蒸汽中，或者在亚利桑那州立大学用金刚石砧施加类似地质的压力。
除了这些传统的合成方法之外，该团队还将尝试受行星或地质现象启发的方法，例如水热合成，这种合成在高压下的热水中进行。由于地球炎热、加压的内部富含水，热液过程与含有稀土元素的矿物的形成有关，稀土元素是许多可再生能源应用的关键成分。
在实验室中，水热合成涉及在密闭容器中的热水基溶液中形成晶体，使得在液体顶部移动的气体分子在系统内施加高蒸气压。
稀土元素的困境
MURI 项目的重点之一是利用稀土元素。许多稀土元素已用于传统高温材料，例如航空和高超音速飞行中的环境屏障涂层，以及电池、LED 器件和其他需求日益增长的产品，但成本高昂。虽然实际上并不罕见，但从土壤和岩石中分离这些元素需要数十个步骤，其中大多数步骤都会造成污染。
“我们现在要使用的所有这些稀土氧化物都存在于矿物中，”奥皮拉说。“有人开采它们，然后他们必须将它们全部分开。例如，镱和镥在元素周期表上是邻居。它们的化学成分非常相似，需要 66 个步骤，涉及许多化学物质，从而产生令人讨厌的废物。”
分离问题导致 Opila 在她和她的学生正在进行的另一个与 MURI 相关的项目的核心提出了一个问题：“如果你直接从地下取出由你想要的元素组成的矿物而不将它们分离，会怎么样?只要把它清理一下，然后用它来制作你的材料就可以了?”
他们正在试验使用磷钇矿(一种常见的矿物)来改善环境屏障涂层(EBC)，该涂层可以保护喷气发动机零件免受高速蒸汽和沙漠沙子等危害。摄入的沙子如果渗透到涂层中，就会融化成玻璃，并与下面的合金发生反应。
“我们知道某些矿物质是稳定的，因为我们可以在地下找到它们，”斯塔克说。“你在地下找不到金属铁，你会发现氧化铁，因为氧化铁是稳定的。让我们探索为什么某些东西是稳定的，或者它是否具有其他有用的属性，并利用这些知识来让东西变得更好。”
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