在美國國防部的資助下，維吉尼亞大學和亞利桑那州立大學的研究人員正在研究礦物和岩石在製造最耐用耐熱材料方面的潛力。由美國國防部資助的一個合作研究計畫正在探索利用天然礦物和岩石開發突破性的耐熱材料，重點是永續性和稀土元素的有效利用。

有史以來最耐用的耐熱材料可能就隱藏在人們的視線之中。

美國國防部想知道在地球和太空中發現的礦物和岩石是否蘊藏下一代高溫材料的秘密。為了找出答案，國防部透過多學科大學研究計畫（MURI）向維吉尼亞大學和亞利桑那州立大學的研究小組提供了625萬美元的資助。該小組由維吉尼亞大學材料科學與工程系主任、勞斯萊斯英聯邦教授 Elizabeth J. Opila（伊麗莎白-J.-奧皮拉）領導。

競爭激烈的 MURI 計畫為基礎科學研究提供資金，國防部希望透過多個學科的集體見解，在其感興趣的領域取得突破。

“由於能源生產、高超音速技術以及增材製造等新領域的需求，現在是高溫材料蓬勃發展的時期，”奧皮拉說。 “人們正在探索新的組成空間，以不同的方式混合不同的元素。除此之外，我們還在思考這些受地質和行星啟發的材料，這非常有趣。 “與科學家通常使用的化合物材料相比，礦物和岩石非常複雜，這也是該項目潛力令人興奮的原因。

博士後研究員桑達馬爾-威瑟拉馬吉（Sandamal Witharamage，右）是伊麗莎白-J.-奧皮拉（Elizabeth J. Opila）教授團隊的成員，該團隊利用美國國防部多學科大學研究計劃（Department of Defense Multidisciplinary University Research Initiative）的資助，開發由行星和地質啟發的新型高溫材料。資料來源：維吉尼亞大學工程與應用科學學院

“地質學家真正關注的是地球是如何形成的，我們在哪裡可以找到這些不同的物質，”奧皮拉說。 “我們希望將這些知識帶入應用領域。 “

透過選擇特定的物理特性，研究人員將複製大自然使用礦物成分、溫度、壓力以及這些力量的快速變化來製造他們的合成材料。我們的目標是極大地擴展高溫材料的加工手段和成分，並為其他人記錄這些手段和成分，以超越人類或大自然所創造的任何東西。

尋找耐火材料

為了滿足對更好的耐火材料的需求–即那些在高溫或腐蝕條件下不易減弱、熔化或分解的材料，美國陸軍研究辦公室就”地球和地外材料的新興耐火行為”（Emergent Refractory Behaviors in Earth and Extraterrestrial Materials）徵集提案。在幾個項目標中，奧皮拉的團隊將設計、製造、測試和描述一系列新材料，這些新材料的性能將優於目前在高溫環境中使用的陶瓷、合金和塗層，例如華氏3000度的噴射發動機。

奧皮拉曾是美國國家航空暨太空總署（NASA）的科學家，也是耐熱和耐腐蝕材料領域的創新者。她的合作者是來自維吉尼亞大學工程與應用科學學院、亞州立大學物質、傳輸與能源工程學院、分子科學學院以及地球與太空探索學院的地質學、計算建模和材料科學專家。

合作首席研究員來自維吉尼亞大學工程學院，他們是機械與航空航天工程惠特尼-斯通工程學教授Patrick E. Hopkins和材料科學與工程助理教授Bi-Cheng Zhou。

霍普金斯的 ExSiTE 實驗室專門研究基於雷射的熱性能測量技術。他的實驗室將對研究小組提出的材料進行表徵。

週必成是一名計算建模專家，因發明了CALPHAD方法的變體以擴展其功能而聞名。他和另一位計算建模專家、亞州立大學材料科學與工程系助理教授洪啟軍將利用各自的專長，為兩校的實驗​​實驗室快速發現有前途的”配方”。

亞利桑那大學的實驗室由著名的熱力學跨學科專家兼納夫羅茨基-艾林宇宙材料中心主任亞歷山德拉-納夫羅茨基（Alexandra Navrotsky）和亞利桑那大學分子科學與地球和太空探索由學院教授、礦物學家和材料化學家許宏武（Hongwu Xu）負責管理。

奧皮拉說，這些團隊將製作和分析未來的配方–經常交換樣品進行測試，她的實驗室將帶來極高的溫度，而亞利桑那大學的實驗室將進行高壓和高溫測試。

維吉尼亞大學博士生帕德雷金-斯塔克（Pádraigín Stack）介紹說，合成測試樣本傳統上從粉末狀元素開始，然後對粉末進行化學變化，分離出目標材料或目標材料的成分。

新成分經過稀釋、加熱和乾燥後變回粉末狀，然後進行燒結，在燒結過程中施加足夠的熱量和壓力，形成緻密的材料球。燒結塊的薄片被稱為”試樣”，研究人員將對其進行各種測試–例如，在奧皮拉的實驗室中將其置於高速蒸汽中，或者在亞利桑那州立大學用金剛石砧施加類似地質學的壓力。

除了這些傳統的合成方法，研究團隊還將嘗試受行星或地質現象啟發的方法，例如在高壓下加熱水的熱液合成。由於水在地球高溫高壓的內部非常豐富，熱液過程與含有稀土元素的礦物的形成等有關，而稀土元素是許多再生能源應用的關鍵成分。

在實驗室中，水熱合成涉及在封閉容器中的熱水基溶液中形成晶體，這樣在液體上移動的氣態分子就會在系統內產生很高的蒸氣壓。

稀土元素的困境

MURI 計畫的重點之一是利用稀土元素。許多稀土元素已被用於傳統的高溫材料中，如航空和高超音速飛行中的環境屏障塗層，以及電池、LED 設備和其他需求日益增長的產品，但成本高。雖然稀土實際上並不稀有，但從土壤和岩石中分離稀土元素需要數十個步驟，其中大部分都會造成污染。

“我們要使用的所有這些稀土氧化物現在都存在於礦物中，”奧皮拉說。 “有人開採它們，然後將它們全部分離出來。例如，鐿和镥是元素週期表上的鄰居。它們的化學性質非常相似，需要經過 66 個步驟，其中涉及許多化學物質，會產生令人討厭的廢棄物。 “

分離問題讓奧皮拉提出了一個問題，這也是她和她的學生們正在研究的另一個與MURI 有關的項目的核心所在：”如果你直接從地下提取一種由你想要的元素組成的礦物，但不分離它們，只是稍微清理一下，然後用它來製造你的材料，那會怎麼樣？ “

他們正在試驗用一種常見的礦物–氙來改進環境阻隔塗層（或稱 EBC），這種塗層可以保護噴射發動機部件免受高速蒸汽和沙漠風沙等危害。如果沙子滲入塗層，就會熔化成玻璃，並與底層合金反應。

“我們知道某些礦物是穩定的，因為我們可以在地下找到它們，”斯塔克說。 “在地下找不到金屬鐵，只能找到氧化鐵，因為氧化鐵是穩定的。讓我們來探索某些東西為什麼是穩定的，或者它是否具有其他有用的特性，並利用這些知識來製造出更好的東西。 “

編譯來源：ScitechDaily