Keramika pro ultravysoké teploty (UHTC), vytvořená v laboratoři pokročilých materiálů společnosti Sandia, vydrží až 2000 stupňů Celsia
Ron Loehman, vedoucí vědecký pracovník oddělení keramických materiálů společnosti Sandia, uvedl, že výsledky prvních sedmi měsíců projektu předčily jeho očekávání.
„Plánujeme, že během dalšího roku prokážeme úspěšný výkon v laboratorním měřítku a v příštím roce dojde k rozšíření,“ řekl Loehman.
Tepelně izolační materiály pro ostré náběžné hrany hypersonických vozidel musí být stabilní při velmi vysokých teplotách (téměř 2000 stupňů C). Materiály musí odolávat odpařování, erozi a oxidaci a měly by vykazovat nízkou tepelnou difuzivitu, aby se omezil přenos tepla na nosné konstrukce.
Kompozitní materiály
UHTC se skládají z diboridu zirkonia (ZrB2) a diboridu hafnia (HfB2) a kompozitů těchto keramik s karbidem křemíku (SiC). Tyto keramiky jsou extrémně tvrdé a mají vysoké teploty tání (3245 °C pro ZrB2 a 3380 °C pro HfB2). V kombinaci vytvářejí ochranné povlaky odolné proti oxidaci a mají nízké tlaky par při teplotách možného použití.
„V současném stavu vývoje však UHTC vykazují špatnou pevnost a chování při tepelných rázech, což je nedostatek, který se připisuje nemožnosti vyrobit je jako plně hustou keramiku s dobrou mikrostrukturou,“ řekl Loehman.
Loehman uvedl, že z počátečního vyhodnocení vzorků UHTC, které poskytlo oddělení tepelné ochrany NASA zhruba před rokem, vyplývá, že špatné vlastnosti byly způsobeny aglomeráty, nehomogenitami a nečistotami na hranicích zrn, což lze přičíst chybám při zpracování keramiky.
Během prvních sedmi měsíců výzkumníci vyrobili UHTC v systémech ZrB2 i HfB2, které jsou stoprocentně husté nebo téměř husté. Mají příznivou mikrostrukturu, jak ukázalo předběžné elektronmikroskopické zkoumání. Kromě toho výzkumníci lisovali za tepla UHTC s mnohem širším rozsahem obsahu SiC než kdykoli předtím. Dostupnost řady složení a mikrostruktur poskytne systémovým inženýrům větší flexibilitu při optimalizaci jejich návrhů.
Spolupráce
Projekt je součástí programu Sandia Thermal Protection Materials Program a představuje práci několika výzkumníků Sandia. Hlavní výzkumný tým tvoří Jill Glassová, Paul Kotula, David Kuntz a doktorand Univerzity Nového Mexika Hans-Peter Dumm.
Kuntz uvedl, že jeho hlavním úkolem je počítat aeroheating, navrhovat systémy tepelné ochrany (tepelné štíty), počítat tepelnou odezvu materiálů na vysokorychlostních letových vozidlech a vyvíjet nástroje pro zlepšení těchto schopností.
„Pokud letí vozidlo dostatečně rychle, aby se zahřálo, analyzujeme ho,“ řekl Kuntz. „Naše nástroje se skládají ze sady počítačových kódů, které počítají proudové pole kolem vysokorychlostního letového vozidla, výsledný ohřev na povrchu vozidla a následné teploty a ablaci materiálů, které tvoří povrch vozidla.“
Glass pracuje s vysokoteplotními mechanickými vlastnostmi a lomovou analýzou a Kotula provádí mikrostrukturní a mikrochemickou analýzu keramických materiálů.
Kotula používá software AXSIA (Automated eXpert Spectral Image Analysis) (vyvinutý Kotulou a Michaelem Keenanem, nedávno patentovaný a oceněný v roce 2002 cenou R&D 100) k charakterizaci UHTC z diboridu hafnia a zirkonia/karbidu křemíku. Kotula zkoumá tyto materiály na mikronové až subnanometrové délkové škále z hlediska velikosti zrn a fázového rozložení, jakož i nečistot nebo kontaminantů, které mohou nepříznivě ovlivnit jejich mechanické vlastnosti.
Bron a uhlík se obtížně analyzují, protože při excitaci elektronovým svazkem jako v rastrovacím nebo transmisním elektronovém mikroskopu, který se obvykle pro takové analýzy používá, vyzařují nízkoenergetické nebo měkké rentgenové záření. Místo použití technik rentgenové analýzy vyvinul výzkumný tým jiné analytické možnosti založené na spektrometrii ztrát energie elektronů, které umožňují stanovit množství a boční rozložení lehkých prvků v UHTC v nanometrovém měřítku.
Zejména kyslík je důležitou příměsí, protože v kombinaci s křemíkem přítomným v UHTC a dalšími nečistotami může vytvářet skla nebo jiné fáze, které obvykle nevydrží požadované vysoké provozní teploty a v provozu by se roztavily nebo popraskaly, což by způsobilo selhání materiálu.
„Pokud se do procesu dostane dostatečné množství nesprávných příměsí, materiál nebude mít žádnou pevnost ani stabilitu při vysokých teplotách,“ řekl Kotula.