La ceramica ad altissima temperatura (UHTCs), creata nel Sandia Advanced Materials Laboratory, può resistere fino a 2000 gradi C (circa 3.800 gradi F).
Ron Loehman, uno scienziato senior del Sandia Ceramic Materials, ha detto che i risultati dei primi sette mesi del progetto hanno superato le sue aspettative.
“Prevediamo di avere dimostrato prestazioni di successo su scala di laboratorio in un altro anno con lo scale-up l’anno successivo”, ha detto Loehman.
I materiali di isolamento termico per i bordi d’attacco taglienti sui veicoli ipersonici devono essere stabili a temperature molto elevate (vicino a 2000 gradi C). I materiali devono resistere all’evaporazione, all’erosione e all’ossidazione, e devono presentare una bassa diffusività termica per limitare il trasferimento di calore alle strutture di supporto.
I materiali compositi
Gli UHTC sono composti da diboruro di zirconio (ZrB2) e diboruro di afnio (HfB2), e da compositi di queste ceramiche con carburo di silicio (SiC). Queste ceramiche sono estremamente dure e hanno alte temperature di fusione (3245 gradi C per ZrB2 e 3380 gradi C per HfB2). Quando combinato, il materiale forma rivestimenti protettivi e resistenti all’ossidazione, e ha basse pressioni di vapore a temperature d’uso potenziali.
“Tuttavia, nel loro attuale stato di sviluppo, gli UHTC hanno esibito scarsa resistenza e comportamento di shock termico, una carenza che è stata attribuita all’incapacità di renderli come ceramica completamente densa con buone microstrutture”, ha detto Loehman.
Loehman ha detto che la valutazione iniziale dei campioni UHTC forniti dal Thermal Protection Branch della NASA circa un anno fa suggerisce che le scarse proprietà erano dovute ad agglomerati, disomogeneità e impurità al limite dei grani, tutte riconducibili a errori nella lavorazione della ceramica.
Durante i primi sette mesi, i ricercatori hanno realizzato UHTC in entrambi i sistemi ZrB2 e HfB2 che sono densi al 100% o quasi. Hanno microstrutture favorevoli, come indicato dall’esame preliminare al microscopio elettronico. Inoltre, i ricercatori hanno pressato a caldo UHTC con una gamma molto più ampia di contenuti di SiC rispetto al passato. La disponibilità di una gamma di composizioni e microstrutture darà agli ingegneri di sistema una maggiore flessibilità nell’ottimizzare i loro progetti.
Collaborazioni
Il progetto fa parte del Sandia Thermal Protection Materials Program e rappresenta il lavoro di diversi ricercatori Sandia. Il team di ricerca principale è composto da Jill Glass, Paul Kotula, David Kuntz e dal dottorando dell’Università del New Mexico Hans-Peter Dumm.
Kuntz ha detto che la sua responsabilità principale è quella di calcolare il riscaldamento dell’aria, progettare sistemi di protezione termica (scudi termici), calcolare la risposta termica dei materiali sui veicoli di volo ad alta velocità, e sviluppare strumenti per migliorare queste capacità.
“Se un veicolo vola abbastanza veloce da diventare caldo, lo analizziamo”, ha detto Kuntz. “I nostri strumenti consistono in una serie di codici informatici che calcolano il campo di flusso intorno a un veicolo di volo ad alta velocità, il riscaldamento risultante sulla superficie del veicolo, e le successive temperature e ablazione dei materiali che formano la superficie del veicolo.”
Glass lavora con proprietà meccaniche ad alta temperatura e analisi della frattura, e Kotula effettua analisi microstrutturali e microchimiche sui materiali ceramici.
Kotula applica il software Automated eXpert Spectral Image Analysis (AXSIA) (sviluppato da Kotula e Michael Keenan, e recentemente brevettato e vincitore di un premio R&D 100 del 2002) alla caratterizzazione dell’afnio e del diboruro di zirconio/carburo di silicio UHTCs. Kotula esamina questi materiali sulla scala di lunghezza da micron a subnanometro per la dimensione dei grani e la distribuzione delle fasi, nonché le impurità o i contaminanti che possono influenzare negativamente le loro proprietà meccaniche.
Il boro e il carbonio sono difficili da analizzare perché emettono raggi X morbidi o a bassa energia quando vengono eccitati con un fascio di elettroni come in un microscopio elettronico a scansione o a trasmissione tipicamente utilizzato per tali analisi. Invece di utilizzare tecniche di analisi a raggi X, il team di ricerca ha sviluppato altre capacità analitiche basate sulla spettrometria a perdita di energia degli elettroni per determinare le quantità e le distribuzioni laterali su scala nanometrica degli elementi leggeri negli UHTC.
L’ossigeno, in particolare, è un’impurità importante poiché, in combinazione con il silicio presente negli UHTC e altre impurità, può formare vetri o altre fasi che tipicamente non possono sopportare le alte temperature di funzionamento richieste e si fonderebbero o creperebbero in servizio, causando il fallimento del materiale.
“Se abbastanza contaminanti sbagliati trovano la loro strada nel processo, il materiale non avrà resistenza o stabilità alle alte temperature”, ha detto Kotula.