Les céramiques à ultra-haute température (UHTC), créées dans le laboratoire des matériaux avancés de Sandia, peuvent résister jusqu’à 2000 degrés C (environ 3 800 degrés F).
Ron Loehman, un scientifique principal dans les matériaux céramiques de Sandia, a déclaré que les résultats des sept premiers mois du projet ont dépassé ses attentes.
« Nous prévoyons d’avoir démontré une performance réussie à l’échelle du laboratoire dans un an, avec une mise à l’échelle l’année suivante », a déclaré Loehman.
Les matériaux d’isolation thermique pour les bords d’attaque aigus des véhicules hypersoniques doivent être stables à très haute température (près de 2000 degrés C). Les matériaux doivent résister à l’évaporation, à l’érosion et à l’oxydation, et doivent présenter une faible diffusivité thermique pour limiter le transfert de chaleur vers les structures de support.
Matériaux composites
Les UHTC sont composés de diborure de zirconium (ZrB2) et de diborure de hafnium (HfB2), et de composites de ces céramiques avec du carbure de silicium (SiC). Ces céramiques sont extrêmement dures et ont des températures de fusion élevées (3245 degrés C pour le ZrB2 et 3380 degrés C pour le HfB2). Lorsqu’ils sont combinés, ces matériaux forment des revêtements protecteurs, résistants à l’oxydation, et présentent de faibles pressions de vapeur aux températures d’utilisation potentielles.
« Cependant, dans leur état actuel de développement, les UHTC ont présenté une résistance et un comportement aux chocs thermiques médiocres, une déficience qui a été attribuée à l’incapacité de les fabriquer en tant que céramiques entièrement denses avec de bonnes microstructures », a déclaré Loehman.
Loehman a déclaré que l’évaluation initiale des spécimens d’UHTC fournis par la branche de protection thermique de la NASA il y a environ un an suggère que les mauvaises propriétés étaient dues à des agglomérats, à des inhomogénéités et à des impuretés aux limites des grains, tous pouvant être attribués à des erreurs dans le traitement de la céramique.
Au cours des sept premiers mois, les chercheurs ont fabriqué des UHTC dans les systèmes ZrB2 et HfB2 qui sont denses à 100 % ou presque. Ils présentent des microstructures favorables, comme l’indique l’examen préliminaire au microscope électronique. En outre, les chercheurs ont pressé à chaud des UHTC avec une gamme de teneurs en SiC beaucoup plus large que jamais auparavant. La disponibilité d’une gamme de compositions et de microstructures donnera aux ingénieurs système une flexibilité supplémentaire pour optimiser leurs conceptions.
Collaborations
Le projet fait partie du programme Sandia Thermal Protection Materials et représente le travail de plusieurs chercheurs de Sandia. L’équipe de recherche principale est composée de Jill Glass, Paul Kotula, David Kuntz et Hans-Peter Dumm, doctorant à l’Université du Nouveau-Mexique.
Kuntz a déclaré que sa principale responsabilité est de calculer l’aérothermie, de concevoir des systèmes de protection thermique (boucliers thermiques), de calculer la réponse thermique des matériaux sur les véhicules de vol à grande vitesse, et de développer des outils pour améliorer ces capacités.
« Si un véhicule vole assez vite pour devenir chaud, nous l’analysons », a déclaré Kuntz. « Nos outils consistent en un ensemble de codes informatiques qui calculent le champ d’écoulement autour d’un véhicule de vol à grande vitesse, le chauffage résultant sur la surface du véhicule, et les températures et l’ablation subséquentes des matériaux qui forment la surface du véhicule. »
Glass travaille avec les propriétés mécaniques à haute température et l’analyse des fractures, et Kotula effectue l’analyse microstructurale et microchimique sur les matériaux céramiques.
Kotula applique le logiciel Automated eXpert Spectral Image Analysis (AXSIA) (développé par Kotula et Michael Keenan, et récemment breveté et lauréat d’un prix R&D 100 2002) à la caractérisation des UHTCs en diborure de hafnium et de zirconium/carbure de silicium. Kotula examine ces matériaux à l’échelle de longueur micrométrique à subnanométrique pour déterminer la taille des grains et la distribution des phases ainsi que les impuretés ou les contaminants qui peuvent nuire à leurs propriétés mécaniques.
Le bore et le carbone sont difficiles à analyser car ils émettent des rayons X de faible énergie ou mous lorsqu’ils sont excités par un faisceau d’électrons comme dans un microscope électronique à balayage ou à transmission généralement utilisé pour ces analyses. Au lieu d’utiliser les techniques d’analyse par rayons X, l’équipe de recherche a développé d’autres capacités d’analyse basées sur la spectrométrie de perte d’énergie des électrons pour déterminer les quantités et les distributions latérales à l’échelle nanométrique des éléments légers dans les UHTC.
L’oxygène, en particulier, est une impureté importante car, en combinaison avec le silicium présent dans les UHTC et d’autres impuretés, il peut former des verres ou d’autres phases qui ne peuvent généralement pas supporter les hautes températures de fonctionnement requises et fondraient ou se fissureraient en service, entraînant la défaillance du matériau.
« Si suffisamment de mauvais contaminants se retrouvent dans le processus, le matériau n’aura aucune résistance ou stabilité à haute température », a déclaré Kotula.