Las cerámicas de ultra alta temperatura (UHTC), creadas en el Laboratorio de Materiales Avanzados de Sandia, pueden resistir hasta 2000 grados C (unos 3.800 grados F).
Ron Loehman, científico principal de Materiales Cerámicos de Sandia, dijo que los resultados de los primeros siete meses del proyecto han superado sus expectativas.
«Tenemos previsto haber demostrado un rendimiento satisfactorio a escala de laboratorio dentro de un año y ampliarlo al año siguiente», dijo Loehman.
Los materiales de aislamiento térmico para los bordes de ataque afilados de los vehículos hipersónicos deben ser estables a temperaturas muy altas (cerca de 2000 grados C). Los materiales deben ser resistentes a la evaporación, la erosión y la oxidación, y deben presentar una baja difusividad térmica para limitar la transferencia de calor a las estructuras de soporte.
Materiales compuestos
Los UHTC se componen de diboruro de circonio (ZrB2) y diboruro de hafnio (HfB2), y de compuestos de estas cerámicas con carburo de silicio (SiC). Estas cerámicas son extremadamente duras y tienen altas temperaturas de fusión (3245 grados C para el ZrB2 y 3380 grados C para el HfB2). Cuando se combinan, el material forma revestimientos protectores y resistentes a la oxidación, y tiene bajas presiones de vapor a las temperaturas de uso potenciales.
«Sin embargo, en su estado actual de desarrollo, los UHTC han mostrado una resistencia y un comportamiento de choque térmico deficientes, una deficiencia que se ha atribuido a la incapacidad de hacerlos como cerámicas totalmente densas con buenas microestructuras», dijo Loehman.
Loehman dijo que la evaluación inicial de las muestras de UHTC proporcionadas por la Subdivisión de Protección Térmica de la NASA hace aproximadamente un año sugiere que las malas propiedades se debían a aglomerados, inhomogeneidades e impurezas en los límites de los granos, todo lo cual podría deberse a errores en el procesamiento de la cerámica.
Durante los primeros siete meses, los investigadores fabricaron UHTC en los sistemas ZrB2 y HfB2 que son 100% densos o casi. Tienen microestructuras favorables, como indica el examen preliminar con microscopio electrónico. Además, los investigadores han prensado en caliente UHTC con una gama de contenidos de SiC mucho más amplia que antes. La disponibilidad de una gama de composiciones y microestructuras dará a los ingenieros de sistemas una mayor flexibilidad para optimizar sus diseños.
Colaboraciones
El proyecto forma parte del Programa de Materiales de Protección Térmica de Sandia y representa el trabajo de varios investigadores de Sandia. El equipo de investigación principal está formado por Jill Glass, Paul Kotula, David Kuntz y el estudiante de doctorado de la Universidad de Nuevo México Hans-Peter Dumm.
Kuntz dijo que su principal responsabilidad es calcular el calentamiento del aire, diseñar sistemas de protección térmica (escudos térmicos), calcular la respuesta térmica de los materiales en vehículos de vuelo de alta velocidad y desarrollar herramientas para mejorar estas capacidades.
«Si un vehículo vuela lo suficientemente rápido como para calentarse, lo analizamos», dijo Kuntz. «Nuestras herramientas consisten en un conjunto de códigos informáticos que calculan el campo de flujo alrededor de un vehículo de vuelo de alta velocidad, el calentamiento resultante en la superficie del vehículo, y las subsiguientes temperaturas y ablación de los materiales que forman la superficie del vehículo».
Glass trabaja con propiedades mecánicas de alta temperatura y análisis de fracturas, y Kotula realiza análisis microestructurales y microquímicos en los materiales cerámicos.
Kotula aplica el software Automated eXpert Spectral Image Analysis (AXSIA) (desarrollado por Kotula y Michael Keenan, patentado recientemente y ganador de un premio R&D 100 2002) a la caracterización de los UHTC de diboruro de hafnio y circonio/carburo de silicio. Kotula examina estos materiales a escala de micras y subnanómetros para determinar el tamaño de grano y la distribución de fases, así como las impurezas o contaminantes que pueden afectar negativamente a sus propiedades mecánicas.
El boro y el carbono son difíciles de analizar porque emiten rayos X de baja energía o suaves cuando se excitan con un haz de electrones como en un microscopio electrónico de barrido o de transmisión que se suele utilizar para estos análisis. En lugar de utilizar técnicas de análisis de rayos X, el equipo de investigación ha desarrollado otras capacidades analíticas basadas en la espectrometría de pérdida de energía de electrones para determinar las cantidades y las distribuciones laterales a escala nanométrica de los elementos ligeros en los UHTC.
El oxígeno, en particular, es una impureza importante ya que, en combinación con el silicio presente en los UHTC y otras impurezas, puede formar vidrios u otras fases que normalmente no pueden soportar las altas temperaturas de funcionamiento requeridas y se fundirían o agrietarían en servicio, provocando el fallo del material.
«Si una cantidad suficiente de contaminantes erróneos se abre camino en el proceso, el material no tendrá resistencia ni estabilidad a altas temperaturas», dijo Kotula.