Skoltech-onderzoekers hebben veelbelovende keramische materialen geïdentificeerd voor metaalcoatings die de efficiëntie van gasturbines zouden verhogen. Als verdere experimentele tests succesvol blijken, zullen de coatings energiecentrales in staat stellen meer elektriciteit te produceren en straalvliegtuigen minder brandstof te laten verbruiken. Nu de materiaalontdekkingstechniek beproefd is, zijn de onderzoekers van plan de zoektocht voort te zetten en meer kandidaten te vinden met misschien nog betere eigenschappen. Het onderzoek is gepubliceerd in Physical Review Materials .

Thermische barrièrecoatings worden gebruikt om turbinebladen in energiecentrales en straalmotoren te beschermen. De messen zelf zijn gemaakt van superlegeringen op nikkelbasis. Deze bieden een geweldige combinatie van sterkte bij hoge temperaturen, taaiheid en weerstand tegen degradatie. Als het echter erg heet wordt, wordt de superlegering zacht en kan deze zelfs smelten. Beschermende coatings maken het mogelijk om turbines bij hogere temperaturen te laten werken zonder hun integriteit in gevaar te brengen. En in dit geval betekent een hogere temperatuur een grotere efficiëntie.

"Thermische barrièrecoatings worden tegenwoordig gemaakt van yttriumoxide-gestabiliseerd zirkoniumoxide, maar als in plaats daarvan een materiaal met betere eigenschappen zou worden gebruikt, zou je daarmee meer bruikbaar vermogen uit de turbine kunnen halen", zegt co-auteur van het onderzoek, professor Artem R. Oganov. die leiding geeft aan het Material Discovery Laboratory bij Skoltech.

"Om dergelijke materialen te vinden, moet je eerst kandidaten bedenken waarvan je de eigenschappen computationeel voorspelt. We hebben een reeks methoden getest en de beste daarvan bepaald voor het berekenen van de relevante materiaaleigenschappen, met name de thermische geleidbaarheid. In het artikel vermelden we een aantal veelbelovende kandidaten, maar we blijven zoeken."

Een materiaal voor thermische barrièrecoatings moet aan verschillende eisen voldoen. Het moet een zeer hoog smeltpunt en een zeer lage thermische geleidbaarheid hebben. Deze laatste eigenschap is bijzonder moeilijk te berekenen omdat deze afhangt van de ingewikkelde "anharmonische" effecten in kristallen. Bovendien moet het materiaal bij verhitting ongeveer even snel uitzetten als de superlegering, anders zal het van het oppervlak afbladderen.

Het materiaal mag geen faseovergangen ondergaan tussen kamertemperatuur en de bedrijfstemperatuur van de turbine, waardoor de coating zou scheuren. Het moet ook bestand zijn tegen de effecten van stofdeeltjes en zuurstof bij hoge temperaturen en voorkomen dat zuurstofionen het onderliggende metaal bereiken en dit oxideren.

"Hoewel we de andere eigenschappen hebben berekend, is de kern van het probleem het voorspellen van de thermische geleidbaarheid", zegt co-auteur van het onderzoek, Skoltech Ph.D. student Majid Zeraati. "We hebben aangetoond dat dergelijke voorspellingen computationeel haalbaar en redelijk nauwkeurig zijn met homogene simulaties van moleculaire dynamica die niet in evenwicht zijn. Dit blijkt enigszins onverwacht, omdat dergelijke simulaties een enorme hoeveelheid berekeningen en uitgebreide statistieken met zich meebrengen, wat resulteert in een hoge rekencomplexiteit.

"Toch zijn we erin geslaagd de methode te vereenvoudigen door deze aan te vullen met machine learning-mogelijkheden:dat wil zeggen dat de interacties tussen de atomen werden voorspeld met behulp van kunstmatige intelligentie, in plaats van rechtstreeks te worden berekend."

Het onderzoek van Skoltech brengt al een aantal materialen naar voren die beloven de huidige kampioen, yttrium-gestabiliseerd zirkonium, de huidige kampioen te overtreffen. Daartoe behoren yttriumniobaat (Y₃ NbO₇ ), de perovskietstructuren BaLaMgTaO₆ en BaLaMgNbO₆ en nog zeven materialen. Dat gezegd hebbende, is het team van plan zijn computationele zoektocht voort te zetten om mogelijke back-upopties en de potentieel betere kandidaten die er nog zijn te identificeren.

Meer informatie: Majid Zeraati et al, Op zoek naar materialen met een lage thermische geleidbaarheid voor thermische barrièrecoatings:een theoretische benadering, Physical Review Materials (2024). DOI:10.1103/PhysRevMaterials.8.033601

Aangeboden door Skolkovo Instituut voor Wetenschap en Technologie