Die Ultrahochtemperatur-Keramik (UHTC), die im Advanced Materials Laboratory von Sandia entwickelt wurde, kann bis zu 2000 Grad Celsius aushalten.
Ron Loehman, ein leitender Wissenschaftler in Sandias Ceramic Materials, sagte, dass die Ergebnisse der ersten sieben Monate des Projekts seine Erwartungen übertroffen hätten.
„Wir planen, die erfolgreiche Leistung im Labormaßstab in einem weiteren Jahr nachzuweisen und im nächsten Jahr den Maßstab zu erhöhen“, sagte Loehman.
Wärmeisolierungsmaterialien für scharfe Vorderkanten von Hyperschallfahrzeugen müssen bei sehr hohen Temperaturen (nahe 2000 Grad C) stabil sein. Die Materialien müssen verdampfungs-, erosions- und oxidationsbeständig sein und sollten eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, um die Wärmeübertragung auf die Trägerstrukturen zu begrenzen.
Verbundwerkstoffe
UHTCs bestehen aus Zirkoniumdiborid (ZrB2) und Hafniumdiborid (HfB2) sowie Verbundwerkstoffen aus diesen Keramiken und Siliziumkarbid (SiC). Diese Keramiken sind extrem hart und haben hohe Schmelztemperaturen (3245 Grad C für ZrB2 und 3380 Grad C für HfB2). In Kombination bildet das Material schützende, oxidationsbeständige Beschichtungen und weist bei potenziellen Einsatztemperaturen einen niedrigen Dampfdruck auf.
„In ihrem derzeitigen Entwicklungsstadium weisen UHTCs jedoch eine schlechte Festigkeit und ein schlechtes Thermoschockverhalten auf, ein Mangel, der darauf zurückzuführen ist, dass es nicht möglich ist, sie als vollständig dichte Keramiken mit guten Mikrostrukturen herzustellen“, so Loehman.
Loehman sagte, dass die erste Bewertung der UHTC-Proben, die von der NASA Thermal Protection Branch vor etwa einem Jahr zur Verfügung gestellt wurden, darauf hindeutet, dass die schlechten Eigenschaften auf Agglomerate, Inhomogenitäten und Korngrenzenverunreinigungen zurückzuführen sind, die alle auf Fehler bei der Keramikverarbeitung zurückzuführen sind.
In den ersten sieben Monaten haben die Forscher UHTCs in den Systemen ZrB2 und HfB2 hergestellt, die zu 100 Prozent oder nahezu dicht sind. Sie weisen ein günstiges Gefüge auf, wie eine erste elektronenmikroskopische Untersuchung ergab. Darüber hinaus haben die Forscher UHTCs mit einer viel größeren Bandbreite an SiC-Gehalten heißgepresst als je zuvor. Die Verfügbarkeit einer Reihe von Zusammensetzungen und Mikrostrukturen wird den Systemingenieuren zusätzliche Flexibilität bei der Optimierung ihrer Konstruktionen bieten.
Zusammenarbeit
Das Projekt ist Teil des Sandia Thermal Protection Materials Program und repräsentiert die Arbeit mehrerer Sandia Forscher. Das primäre Forschungsteam besteht aus Jill Glass, Paul Kotula, David Kuntz und dem Doktoranden der University of New Mexico, Hans-Peter Dumm.
Kuntz sagte, dass seine Hauptaufgabe darin besteht, die Aeroerwärmung zu berechnen, Wärmeschutzsysteme (Hitzeschilde) zu entwerfen, das thermische Verhalten von Materialien in Hochgeschwindigkeitsflugzeugen zu berechnen und Werkzeuge zur Verbesserung dieser Fähigkeiten zu entwickeln.
„Wenn ein Fahrzeug schnell genug fliegt, um heiß zu werden, analysieren wir es“, sagte Kuntz. „Unsere Werkzeuge bestehen aus einer Reihe von Computercodes, die das Strömungsfeld um ein Hochgeschwindigkeitsflugzeug, die daraus resultierende Erwärmung auf der Oberfläche des Fahrzeugs und die anschließenden Temperaturen und den Abtrag der Materialien, aus denen die Oberfläche des Fahrzeugs besteht, berechnen.“
Glass arbeitet mit mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen und Bruchanalysen, und Kotula führt mikrostrukturelle und mikrochemische Analysen an den keramischen Materialien durch.
Kotula wendet die Software Automated eXpert Spectral Image Analysis (AXSIA) (von Kotula und Michael Keenan entwickelt, kürzlich patentiert und mit einem R&D 100-Preis 2002 ausgezeichnet) zur Charakterisierung von Hafnium- und Zirkoniumdiborid/Siliziumkarbid-UHTCs an. Kotula untersucht diese Werkstoffe im Mikrometer- bis Subnanometerbereich auf Korngröße und Phasenverteilung sowie auf Verunreinigungen, die ihre mechanischen Eigenschaften beeinträchtigen können.
Bor und Kohlenstoff lassen sich nur schwer analysieren, da sie bei der Anregung mit einem Elektronenstrahl – wie in einem Raster- oder Transmissionselektronenmikroskop, das üblicherweise für solche Analysen verwendet wird – niederenergetische oder weiche Röntgenstrahlen abgeben. Anstelle von Röntgenanalysetechniken hat das Forscherteam andere Analysemöglichkeiten entwickelt, die auf der Elektronen-Energieverlustspektrometrie basieren, um die Mengen und die nanometergroßen lateralen Verteilungen der leichten Elemente in den UHTCs zu bestimmen.
Vor allem Sauerstoff ist eine wichtige Verunreinigung, da er in Kombination mit dem in den UHTCs vorhandenen Silizium und anderen Verunreinigungen Gläser oder andere Phasen bilden kann, die den erforderlichen hohen Betriebstemperaturen nicht standhalten und im Betrieb schmelzen oder reißen würden, was zum Versagen des Materials führen würde.
„Wenn genügend der falschen Verunreinigungen ihren Weg in den Prozess finden, hat das Material keine Hochtemperaturfestigkeit oder -stabilität“, sagte Kotula.