Sandian kehittyneiden materiaalien laboratoriossa luodut ultrakorkean lämpötilan keramiikat (UHTC) kestävät jopa 2000 celsiusastetta.
Sandian keraamisten materiaalien tutkimusyksikön vanhempi tutkija Ron Loehman kertoi, että projektin ensimmäisten seitsemän kuukauden aikana saadut tulokset ovat ylittäneet hänen odotuksensa.
”Suunnitelmissamme on osoittaa onnistunut suorituskyky laboratoriomittakaavassa toisen vuoden kuluessa ja skaalata seuraavana vuonna”, Loehman sanoi.
Hypersonaalisten ajoneuvojen terävien etureunojen lämpöeristysmateriaalien on oltava stabiileja erittäin korkeissa lämpötiloissa (lähes 2000 astetta C). Materiaalien on kestettävä haihtumista, eroosiota ja hapettumista, ja niillä on oltava alhainen lämpödiffuusiokyky, jotta ne rajoittavat lämmön siirtymistä tukirakenteisiin.
Komposiittimateriaalit
UHTC:t koostuvat zirkoniumdiboridista (ZrB2) ja hafniumdiboridista (HfB2) sekä näiden keraamisten aineiden komposiiteista piikarbidin (SiC) kanssa. Nämä keraamiset ovat erittäin kovia ja niillä on korkea sulamislämpötila (3245 °C ZrB2:lla ja 3380 °C HfB2:lla). Yhdistettynä materiaali muodostaa suojaavia, hapettumista kestäviä pinnoitteita, ja sillä on alhaiset höyrynpaineet mahdollisissa käyttölämpötiloissa.
”Nykyisessä kehitystyössään UHTC-keramiikoilla on kuitenkin ollut huono lujuus- ja lämpöshokkikäyttäytyminen, mikä on johtunut siitä, että niitä ei ole pystytty valmistamaan täysin tiiviiksi keramiikoiksi, joilla on hyvät mikrorakenteet”, Loehman sanoi.
Loehmanin mukaan NASA:n lämpösuojausosaston noin vuosi sitten toimittamien UHTC-näytteiden alustava arviointi viittaa siihen, että huonot ominaisuudet johtuivat agglomeraateista, epäyhtenäisyyksistä ja raerajojen epäpuhtauksista, jotka kaikki saattoivat johtua keramiikan prosessoinnissa tapahtuneista virheistä.
Seitsemän ensimmäisen kuukauden aikana tutkijat valmistivat UHTC:tä sekä ZrB2- että HfB2-järjestelmissä, jotka ovat 100-prosenttisen tiiviitä tai lähes tiiviitä. Niillä on suotuisia mikrorakenteita, kuten alustava elektronimikroskooppinen tutkimus osoittaa. Lisäksi tutkijat ovat kuumapuristaneet UHTC:tä, joiden SiC-pitoisuudet ovat paljon laajemmat kuin koskaan aiemmin. Erilaisten koostumusten ja mikrorakenteiden saatavuus antaa järjestelmäinsinööreille lisää joustavuutta suunnittelun optimoinnissa.
Yhteistyöt
Hanke on osa Sandian lämpösuojamateriaaliohjelmaa ja edustaa useiden Sandian tutkijoiden työtä. Ensisijaiseen tutkimusryhmään kuuluvat Jill Glass, Paul Kotula, David Kuntz ja New Mexicon yliopiston tohtorikoulutettava Hans-Peter Dumm.
Kuntz sanoi, että hänen päävastuunsa on laskea ilmakuumennusta, suunnitella lämpösuojajärjestelmiä (lämpösuojia), laskea materiaalien lämpövastetta suurnopeuslentokoneissa ja kehittää työkaluja näiden valmiuksien parantamiseksi.
”Jos ajoneuvo lentää tarpeeksi nopeasti kuumentuakseen, me analysoimme sen”, Kuntz sanoi. ”Työkalumme koostuvat tietokonekoodeista, jotka laskevat virtauskentän suurnopeuslentoajoneuvon ympärillä, siitä aiheutuvan kuumenemisen ajoneuvon pinnalla ja sen jälkeiset lämpötilat ja ajoneuvon pinnan muodostavien materiaalien ablaation.”
Glass työskentelee korkeiden lämpötilojen mekaanisten ominaisuuksien ja murtuma-analyysin parissa, ja Kotula tekee keraamisille materiaaleille mikrorakenteellisia ja mikrokemiallisia analyysejä.
Kotula soveltaa Automated eXpert Spectral Image Analysis (AXSIA) -ohjelmistoa (jonka Kotula ja Michael Keenan ovat kehittäneet ja joka on hiljattain patentoitu ja joka on voittanut vuoden 2002 R&D 100 -palkinnon) hafnium- ja zirkoniumdiboridi/piikarbidi UHTC:n karakterisointiin. Kotula tarkastelee näitä materiaaleja mikronin ja subnanometrin pituusskaalalla raekokoa ja faasijakaumaa sekä epäpuhtauksia tai epäpuhtauksia, jotka voivat vaikuttaa haitallisesti niiden mekaanisiin ominaisuuksiin.
Booria ja hiiltä on vaikea analysoida, koska ne synnyttävät matalaenergistä tai pehmeää röntgensäteilyä herätettäessä elektronisuihkulla, kuten tällaisiin analyyseihin tyypillisesti käytettävässä pyyhkäisy- tai siirtoelektronimikroskoopissa. Röntgenanalyysitekniikoiden sijaan tutkimusryhmä on kehittänyt muita elektronienergiahäviöspektrometriaan perustuvia analyysimahdollisuuksia määrittääkseen kevyiden alkuaineiden määrät ja nanometrin laajuiset sivujakaumat UHTC:ssä.
Erityisesti happi on tärkeä epäpuhtaus, sillä yhdessä UHTC:ssä olevan piin ja muiden epäpuhtauksien kanssa se voi muodostaa laseja tai muita faaseja, jotka tyypillisesti eivät kestä vaadittavia korkeita käyttölämpötiloja ja sulavat tai halkeilevat käytössä aiheuttaen materiaalin vikaantumisen.
”Jos vääränlaista epäpuhtautta pääsee riittävästi prosessiin, materiaalilla ei ole korkeiden lämpötilojen lujuutta tai stabiilisuutta”
,
sanoi Kotula.