研究人员发现探索地球和太空的终极耐热材料

"地质学家真正关注的是地球是如何形成的，我们在哪里可以找到这些不同的物质，"奥皮拉说。"我们希望将这些知识带入应用领域。"

通过选择特定的物理特性，研究人员将复制大自然使用矿物成分、温度、压力以及这些力量的快速变化来制造他们的合成材料。我们的目标是极大地扩展高温材料的加工手段和成分，并为其他人记录这些手段和成分，以超越人类或大自然所创造的任何东西。

寻找耐火材料

为了满足对更好的耐火材料的需求--即那些在高温或腐蚀条件下不易减弱、熔化或分解的材料，美国陆军研究办公室就"地球和地外材料的新兴耐火行为"（EmergentRefractoryBehaviorsinEarthandExtraterrestrialMaterials）征集提案。在几项目标中，奥皮拉的团队将设计、制造、测试和描述一系列新材料，这些新材料的性能将优于目前在高温环境中使用的陶瓷、合金和涂层，例如华氏3000度的喷气发动机。

奥皮拉曾是美国国家航空航天局（NASA）的科学家，也是耐热和耐腐蚀材料领域的创新者。她的合作者是来自弗吉尼亚大学工程与应用科学学院、亚州立大学物质、传输与能源工程学院、分子科学学院以及地球与太空探索学院的地质学、计算建模和材料科学专家。

合作首席研究员来自弗吉尼亚大学工程学院，他们是机械与航空航天工程惠特尼-斯通工程学教授PatrickE.Hopkins和材料科学与工程助理教授Bi-ChengZhou。

霍普金斯的ExSiTE实验室专门研究基于激光的热性能测量技术。他的实验室将对研究小组提出的材料进行表征。

周必成是一名计算建模专家，因发明了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、亚州立大学材料科学与工程系助理教授洪启军将利用各自的专长，为两校的实验实验室快速发现有前途的"配方"。

亚利桑那大学的实验室由著名的热力学跨学科专家兼纳夫罗茨基-艾林宇宙材料中心主任亚历山德拉-纳夫罗茨基（AlexandraNavrotsky）和亚利桑那大学分子科学与地球和太空探索学院教授、矿物学家和材料化学家许宏武（HongwuXu）负责管理。

奥皮拉说，这些团队将制作和分析未来的配方--经常交换样品进行测试，她的实验室将带来极高的温度，而亚利桑那大学的实验室将进行高压和高温测试。

弗吉尼亚大学博士生帕德雷金-斯塔克（PádraigínStack）介绍说，合成测试样品传统上从粉末状元素开始，然后对粉末进行化学变化，分离出目标材料或目标材料的成分。

新成分经过稀释、加热和干燥后变回粉末状，然后进行烧结，在烧结过程中施加足够的热量和压力，形成致密的材料球。烧结块的薄片被称为"试样"，研究人员将对其进行各种测试--例如，在奥皮拉的实验室中将其置于高速蒸汽中，或者在亚利桑那州立大学用金刚石砧施加类似地质学的压力。

除了这些传统的合成方法，研究小组还将尝试受行星或地质现象启发的方法，例如在高压下加热水进行的热液合成。由于水在地球高温高压的内部非常丰富，热液过程与含有稀土元素的矿物的形成等有关，而稀土元素是许多可再生能源应用的关键成分。

在实验室中，水热合成涉及在封闭容器中的热水基溶液中形成晶体，这样在液体上移动的气态分子就会在系统内产生很高的蒸汽压。

稀土元素的困境

MURI项目的重点之一是利用稀土元素。许多稀土元素已被用于传统的高温材料中，如航空和高超音速飞行中的环境屏障涂层，以及电池、LED设备和其他需求日益增长的产品，但成本高昂。虽然稀土实际上并不稀有，但从土壤和岩石中分离稀土元素需要数十个步骤，其中大部分都会造成污染。

"我们要使用的所有这些稀土氧化物现在都存在于矿物中，"奥皮拉说。"有人开采它们，然后将它们全部分离出来。例如，镱和镥是元素周期表上的邻居。它们的化学性质非常相似，需要经过66个步骤，其中涉及许多化学物质，会产生令人讨厌的废品。"

分离问题让奥皮拉提出了一个问题，这也是她和她的学生们正在研究的另一个与MURI有关的项目的核心所在："如果你直接从地下提取一种由你想要的元素组成的矿物，但不分离它们，只是稍微清理一下，然后用它来制造你的材料，那会怎么样？"

他们正在试验用一种常见的矿物--氙来改进环境阻隔涂层（或称EBC），这种涂层可以保护喷气发动机部件免受高速蒸汽和沙漠风沙等危害。如果沙子渗入涂层，就会熔化成玻璃，并与底层合金发生反应。

"我们知道某些矿物是稳定的，因为我们可以在地下找到它们，"斯塔克说。"在地下找不到金属铁，只能找到氧化铁，因为氧化铁是稳定的。让我们来探索某些东西为什么是稳定的，或者它是否具有其他有用的特性，并利用这些知识来制造出更好的东西。"

编译来源：ScitechDaily