DESAFIO DO CLIENTE
A ciência do nêutron fornece um meio excepcional para estudar a estrutura e a dinâmica dos materiais no nível atômico. O Laboratório Nacional de Oak Ridge é a sede do the Spallation Neutron Source and the High Flux Isotope Reactor, duas instalações líderes mundiais para pesquisa de dispersão de nêutrons. O SNS é uma fonte de nêutrons baseada em acelerador construída por uma parceria de seis laboratórios do Departamento de Energia dos EUA. A instalação SNS exclusiva , em Oak Ridge irá gerar o acelerador pulsado mais intenso do mundo baseado em feixes de nêutrons para pesquisa científica e desenvolvimento industrial
Estes feixes são produzidos ao bombardear um alvo de mercúrio com prótons energéticos a partir de um grande complexo de aceleradores. Os prótons excitam os núcleos de mercúrio em um processo chamado espalação, liberando nêutrons que são formados em linhas de feixe e orientando para instrumentos de pesquisa. O SNS possui 18 linhas de feixe que podem acomodar até 24 sistemas de instrumentos , cada um deles beneficiando diversas áreas da ciência
Em 2004, o Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da UT em Knoxville recebeu financiamento do Programa NSF-MRI para desenvolver um sistema de carga in-situ para o Difratômetro VULCAN no SNS.
Comissionado em 26 de junho de 2009, o VULCAN é um difratômetro de engenharia de classe internacional projetado para enfrentar uma ampla gama de problemas na ciência e engenharia de materiais, como o mapeamento de tensão em componentes estruturais, estudos de deformação in-situ sob condições complexas de carga, comportamentos transitórios durante a síntese e o processamento, e a cinética de transformações de fase em escala multicomprimento. O sistema compreende um guia de nêutrons, uma tabela de amostras pesadas, uma estrutura de carga multiaxial e um conjunto de detectores especializados. O maior financiamento para o VULCAN vem da Canada Foundation for Innovation, com fundos adicionais de construção do DOE Office of Energy Efficiency and Renewable Energy. O Dr. Xun-Li Wang é o cientista líder e Amy Black a engenheira líder , responsável pelo projeto geral e construção do instrumento.
O prêmio NSF-MRI expande as capacidades do VULCAN, fornecendo uma estrutura exclusiva para permitir testes mecânicos sofisticados. Enquanto utilizam a estrutura de carga para aplicar cargas e momentos a um corpo de prova material exposto ao feixe de nêutrons, os pesquisadores empregarão os detectores especializados para observar a mudança nos padrões de difração do corpo de prova. A partir dessas medidas, os pesquisadores podem obter insights dos mecanismos de falha em tempo real, in situ, em três dimensões e a nível atômico
"Tão avançada quanto esta tecnologia pode parecer, a parte de estrutura de carga do sistema é fundamental para seu uso bem sucedido para a caracterização do material ", afirma o Dr. Peter Liaw, principal investigador do projeto da UT. "Como o feixe de nêutrons está em uma posição fixa, a estrutura de carga e seu sistema de controle devem alcançar extrema precisão para manter a amostra centralizada dentro do feixe enquanto aplica o torque, tensão e compressão especificados. E tudo isso deve ocorrer dentro de um ambiente de alta radiação e alta ativação. Um sistema de estrutura de carga padrão claramente não serviria"
"O sistema de estrutura de carga também deve ser leve o suficiente para facilitar a mudança de uma orientação vertical para horizontal, mas altamente rígido para minimizar a deformação da amostra durante o teste de fadiga de baixo ciclo em tensões altas", acrescentou o Dr. Xun-Li Wang. "Os desafios de engenharia associados à obtenção desta capacidade eram enormes"
SOLUÇÃO DA MTS
Para superar os desafios de desenvolver a estrutura de carga multiaxial, a equipe de desenvolvimento do VULCAN escolheu a parceria com MTS por duas razões principais: experiência e capacidades de personalização
"Um de nossos principais critérios de compra incluía a capacidade demonstrada de compreender e resolver criativamente problemas únicos de testes mecânicos ", disse Amy Black, engenheira líder ORNL no projeto VULCAN. "A MTS foi um claro destaque a este respeito, com uma longa história de sucessos para mostrar"
"Dezenas de sistemas de teste MTS também estão em utilização em outras áreas das instalações ORNL, e o feedback foi unanimemente positivo desses grupos" acrescentou o Dr. Wang
Até junho de 2010, o difratômetro VULCAN estará totalmente operacional, com uma estrutura de carga MTS multiaxial única, servindo como a peça central funcional - e visual - da instalação. Com fluxo sem precedentes e instrumentação avançada, o instrumento permitirá estudos de carregamento de material volumétrico extremamente rápidos in-situ , incluindo a capacidade de estudar comportamentos cinéticos em tempos de subsegundo
Os estudos in-situ incluem distribuição de temperatura , mudanças de textura e estresse desenvolvimento e precipitação, tanto em temperaturas extremamente altas, quanto em ambientes operacionais criogênicos. O sistema VULCAN também facilita a caracterização simultânea da dilatometria, do peso e da microestrutura , produzindo um instantâneo detalhado altamente preciso do estado atômico de um material a qualquer momento
BENEFÍCIOS PARA O CLIENTE
"O difratômetro VULCAN se destaca para progredir significativamente o corpo de conhecimento da ciência dos materiais e seus possíveis usos potenciais sem fim", disse a Dra. Liaw. "Suas capacidades serão especialmente úteis no momento em que muitos estão desenvolvendo materiais novos e desconhecidos para abordar as questões mais urgentes do mundo, incluindo os problemas relacionados à energia "
"Aqui, estamos operando na vanguarda do mercado e estávamos abrindo novos caminhos quase a cada passo durante o desenvolvimento do VULCAN", afirma Black. "A MTS foi uma das poucas empresas que pôde enfrentar com criatividade tais formidáveis desafios de engenharia. Nossa colaboração com a UT e a MTS reuniu experiência e conhecimento em uma grande variedade de campos e o resultado é uma estrutura de carga única e multiaxial que complementará e aprimorará o Difratômetro de Engenharia VULCAN na SNS"