A Sandia Fejlett Anyagok Laboratóriumában létrehozott ultramagas hőmérsékletű kerámia (UHTC) akár 2000 Celsius-fokot is kibír.
Ron Loehman, a Sandia Kerámia Anyagok vezető kutatója szerint a projekt első hét hónapjának eredményei felülmúlták várakozásait.
“Azt tervezzük, hogy még egy év múlva laboratóriumi léptékben bizonyítani tudjuk a sikeres teljesítményt, a következő évben pedig a méretnövelést” – mondta Loehman.
A hiperszonikus járművek éles vezető éleinek hőszigetelő anyagainak nagyon magas hőmérsékleten (2000 C fok közelében) is stabilnak kell lenniük. Az anyagoknak ellen kell állniuk a párolgásnak, az eróziónak és az oxidációnak, és alacsony termikus diffúziós képességgel kell rendelkezniük, hogy korlátozzák a hőátadást a tartószerkezetekre.
Kompozit anyagok
Az UHTC-k cirkónium-diboridból (ZrB2) és hafnium-diboridból (HfB2), valamint e kerámiák és szilícium-karbid (SiC) kompozitjaiból állnak. Ezek a kerámiák rendkívül kemények és magas olvadási hőmérsékletűek (3245 °C a ZrB2 esetében és 3380 °C a HfB2 esetében). Kombinálva az anyag védő, oxidációnak ellenálló bevonatokat képez, és a potenciális felhasználási hőmérsékleten alacsony gőznyomással rendelkezik.
“A fejlesztés jelenlegi állapotában azonban az UHTC-k gyenge szilárdságot és termikus sokk viselkedést mutattak, ami annak a hiányosságnak tulajdonítható, hogy nem képesek teljesen sűrű, jó mikroszerkezetű kerámiaként előállítani őket” – mondta Loehman.
Loehman elmondta, hogy a NASA hővédelmi részlege által körülbelül egy évvel ezelőtt rendelkezésre bocsátott UHTC-minták első értékelése arra utal, hogy a rossz tulajdonságok agglomerátumoknak, inhomogenitásoknak és szemcsehatár szennyeződéseknek tudhatók be, amelyek mind a kerámia feldolgozásának hibáira vezethetők vissza.
A kutatók az első hét hónap alatt mind a ZrB2, mind a HfB2 rendszerben olyan UHTC-ket készítettek, amelyek 100 százalékos vagy közel 100 százalékos sűrűségűek. Kedvező mikroszerkezetűek, amint azt az előzetes elektronmikroszkópos vizsgálat jelezte. Ezen túlmenően a kutatók minden eddiginél sokkal szélesebb SiC-tartalom-tartományban forrópréseltek UHTC-ket. Az összetétel- és mikroszerkezet-választék elérhetősége nagyobb rugalmasságot biztosít a rendszermérnököknek a konstrukciók optimalizálásában.
Kooperációk
A projekt a Sandia Hővédő Anyagok Programjának része, és több Sandia-kutató munkáját képviseli. Az elsődleges kutatócsoportot Jill Glass, Paul Kotula, David Kuntz és az Új-Mexikói Egyetem doktorandusza, Hans-Peter Dumm alkotja.
Kuntz elmondta, hogy elsődleges feladata a légfelmelegedés kiszámítása, a hővédő rendszerek (hőpajzsok) tervezése, a nagy sebességgel repülő járművek anyaghőreakcióinak kiszámítása, valamint olyan eszközök kifejlesztése, amelyek javítják ezeket a képességeket.
“Ha egy jármű elég gyorsan repül ahhoz, hogy felforrósodjon, akkor elemezzük” – mondta Kuntz. “Az eszközeink olyan számítógépes kódokból állnak, amelyek kiszámítják a nagy sebességgel repülő jármű körüli áramlási mezőt, a jármű felületének ebből eredő felmelegedését, valamint a jármű felületét alkotó anyagok későbbi hőmérsékletét és ablációját.”
Glass a magas hőmérsékletű mechanikai tulajdonságokkal és töréselemzéssel foglalkozik, Kotula pedig mikroszerkezeti és mikrokémiai elemzéseket végez a kerámiaanyagokon.
Kotula az Automated eXpert Spectral Image Analysis (AXSIA) szoftvert (amelyet Kotula és Michael Keenan fejlesztett ki, és amelyet nemrég szabadalmaztattak, és amely 2002-ben R&D 100 díjat nyert) alkalmazza a hafnium és cirkónium diborid/szilíciumkarbid UHTC-k jellemzésére. Kotula ezeket az anyagokat mikron és szubnanométeres hosszskálán vizsgálja a szemcseméret és a fáziseloszlás, valamint a mechanikai tulajdonságaikat hátrányosan befolyásoló szennyeződések vagy szennyeződések szempontjából.
A bórt és a szenet nehéz elemezni, mert alacsony energiájú vagy lágy röntgensugarakat bocsátanak ki, amikor elektronsugárral gerjesztik őket, mint az ilyen elemzésekhez általában használt pásztázó vagy transzmissziós elektronmikroszkópban. A kutatócsoport a röntgenelemzési technikák helyett más, elektronenergia-veszteség spektrometrián alapuló elemzési lehetőségeket fejlesztett ki az UHTC-kben lévő könnyű elemek mennyiségének és nanométeres oldalsó eloszlásának meghatározására.
Az oxigén különösen fontos szennyeződés, mivel az UHTC-kben jelen lévő szilíciummal és más szennyeződésekkel együtt üvegeket vagy más fázisokat képezhet, amelyek jellemzően nem bírják a szükséges magas üzemi hőmérsékleteket, és üzem közben megolvadnának vagy megrepednének, ami az anyag meghibásodását okozná.
“Ha elég sok rossz szennyeződés kerül a folyamatba, az anyagnak nem lesz magas hőmérsékletű szilárdsága vagy stabilitása” – mondta Kotula.