Den ultra-høj-temperatur keramik (UHTC), der er skabt i Sandia’s Advanced Materials Laboratory, kan modstå op til 2000 grader C (ca. 3.800 grader F).
Ron Loehman, seniorforsker i Sandia’s Ceramic Materials, sagde, at resultaterne fra de første syv måneder af projektet har overgået hans forventninger.
“Vi planlægger at have demonstreret en vellykket ydeevne i laboratorieskala om endnu et år med opskalering det næste år,” sagde Loehman.
Thermiske isoleringsmaterialer til skarpe forkanter på hypersoniske køretøjer skal være stabile ved meget høje temperaturer (nær 2000 grader C). Materialerne skal modstå fordampning, erosion og oxidation og skal udvise lav termisk diffusivitet for at begrænse varmeoverførslen til støttestrukturer.
Kompositmaterialer
UHTC’er består af zirconiumdiborid (ZrB2) og hafniumdiborid (HfB2) og kompositter af disse keramiske materialer med siliciumcarbid (SiC). Disse keramiske materialer er ekstremt hårde og har høje smeltetemperaturer (3245 grader C for ZrB2 og 3380 grader C for HfB2). Når materialet kombineres, danner det beskyttende, oxidationsbestandige belægninger og har et lavt damptryk ved potentielle brugstemperaturer.
“I deres nuværende udviklingsstadie har UHTC’er imidlertid udvist dårlig styrke og termisk chokadfærd, en mangel, der er blevet tilskrevet manglende evne til at fremstille dem som fuldt tætte keramiske materialer med gode mikrostrukturer,” sagde Loehman.
Loehman sagde, at den indledende evaluering af UHTC-prøver, der blev leveret af NASA Thermal Protection Branch for omkring et år siden, tyder på, at de dårlige egenskaber skyldtes agglomerater, inhomogeniteter og korngrænseforureninger, som alle kunne spores til fejl i den keramiske forarbejdning.
I løbet af de første syv måneder lavede forskerne UHTC’er i både ZrB2- og HfB2-systemerne, der er 100 procent tætte eller næsten tætte. De har gunstige mikrostrukturer, som det fremgår af en foreløbig elektronmikroskopisk undersøgelse. Desuden har forskerne varmpresset UHTC’er med et meget bredere spektrum af SiC-indhold end nogensinde før. Tilgængeligheden af en række sammensætninger og mikrostrukturer vil give systemingeniører ekstra fleksibilitet i optimeringen af deres design.
Samarbejde
Projektet er en del af Sandia Thermal Protection Materials Program og repræsenterer arbejdet fra flere Sandia-forskere. Det primære forskerhold består af Jill Glass, Paul Kotula, David Kuntz og ph.d.-studerende Hans-Peter Dumm fra University of New Mexico.
Kuntz sagde, at hans primære ansvar er at beregne aeroopvarmning, designe termiske beskyttelsessystemer (varmeskjolde), beregne materialers termiske respons på højhastighedsflyvningsfartøjer og udvikle værktøjer til at forbedre disse kapaciteter.
“Hvis et køretøj flyver hurtigt nok til at blive varmt, analyserer vi det”, sagde Kuntz. “Vores værktøjer består af et sæt computerkoder, der beregner strømningsfeltet omkring et højhastighedsflyvningsfartøj, den resulterende opvarmning på køretøjets overflade og de efterfølgende temperaturer og ablation af de materialer, der udgør køretøjets overflade.”
Glass arbejder med mekaniske egenskaber ved høje temperaturer og brudanalyse, og Kotula udfører mikrostrukturelle og mikrokemiske analyser på de keramiske materialer.
Kotula anvender AXSIA-softwaren (Automated eXpert Spectral Image Analysis) (udviklet af Kotula og Michael Keenan og for nylig patenteret og vinder af en R&D 100-pris i 2002) til karakterisering af UHTC’er af hafnium- og zirconiumdiborid/siliciumcarbid af hafnium og zirconium. Kotula undersøger disse materialer på mikron- til subnanometerlængdeskalaen for kornstørrelse og fasefordeling samt urenheder eller forureninger, der kan påvirke deres mekaniske egenskaber negativt.
Bor og kulstof er vanskelige at analysere, fordi de afgiver lav-energi- eller bløde røntgenstråler, når de exciteres med en elektronstråle som i et scanning- eller transmissionselektronmikroskop, der typisk anvendes til sådanne analyser. I stedet for at bruge røntgenanalyseteknikker har forskerholdet udviklet andre analysemuligheder baseret på elektronenergitabs-spektrometri til at bestemme mængder og laterale fordelinger i nanometerskala af de lette elementer i UHTC’erne.
Sær ilt er en vigtig urenhed, da det i kombination med det silicium, der er til stede i UHTC’erne, og andre urenheder kan danne glas eller andre faser, der typisk ikke kan tåle de krævede høje driftstemperaturer og ville smelte eller knække i brug, hvilket ville få materialet til at svigte.
“Hvis nok af de forkerte forurenende stoffer finder vej ind i processen, vil materialet ikke have nogen styrke eller stabilitet ved høje temperaturer”, sagde Kotula.