De ultrahoge-temperatuurkeramiek (UHTC’s), gemaakt in het Advanced Materials Laboratory van Sandia, is bestand tegen maximaal 2000 graden C (ongeveer 3.800 graden F).
Ron Loehman, een senior wetenschapper in de keramische materialen van Sandia, zei dat de resultaten van de eerste zeven maanden van het project zijn verwachtingen hebben overtroffen.
“We zijn van plan om in nog een jaar succesvolle prestaties op laboratoriumschaal te hebben aangetoond met schaalvergroting het volgende jaar,” zei Loehman.
Thermische isolatiematerialen voor scherpe voorranden op hypersonische voertuigen moeten stabiel zijn bij zeer hoge temperaturen (in de buurt van 2000 graden C). De materialen moeten bestand zijn tegen verdamping, erosie en oxidatie, en moeten een lage thermische diffusie vertonen om de warmteoverdracht naar ondersteunende structuren te beperken.
Composietmaterialen
UHTC’s zijn samengesteld uit zirkoniumdiboride (ZrB2) en hafniumdiboride (HfB2), en composieten van die keramiek met siliciumcarbide (SiC). Deze keramische materialen zijn extreem hard en hebben hoge smelttemperaturen (3245 graden C voor ZrB2 en 3380 graden C voor HfB2). Wanneer gecombineerd, vormt het materiaal beschermende, oxidatiebestendige deklagen, en heeft lage dampdruk bij potentiële gebruikstemperaturen.
“Nochtans, in hun huidige staat van ontwikkeling, hebben UHTCs slechte sterkte en thermische schokgedrag tentoongesteld, een tekortkoming die aan onvermogen is toegeschreven om hen als volledig dichte keramiek met goede microstructuren te maken,” zei Loehman.
Loehman zei dat de eerste evaluatie van UHTC-exemplaren die ongeveer een jaar geleden door de NASA Thermal Protection Branch werden geleverd, suggereerden dat de slechte eigenschappen te wijten waren aan agglomeraten, inhomogeniteiten, en korrelgrensonzuiverheden, die allemaal konden worden herleid tot fouten in de keramische verwerking.
Tijdens de eerste zeven maanden maakten de onderzoekers UHTC’s in zowel de ZrB2- als de HfB2-systemen die 100 procent dicht of bijna dicht zijn. Ze hebben gunstige microstructuren, zoals blijkt uit voorlopig elektronenmicroscopisch onderzoek. Bovendien hebben de onderzoekers UHTC’s warm geperst met een veel breder scala aan SiC-gehaltes dan ooit tevoren. De beschikbaarheid van een reeks samenstellingen en microstructuren zal systeemingenieurs extra flexibiliteit geven bij het optimaliseren van hun ontwerpen.
Samenwerkingen
Het project maakt deel uit van het Sandia Thermal Protection Materials Program en vertegenwoordigt het werk van verschillende Sandia-onderzoekers. Het primaire onderzoeksteam bestaat uit Jill Glass, Paul Kotula, David Kuntz, en University of New Mexico doctoraal student Hans-Peter Dumm.
Kuntz zei dat zijn primaire verantwoordelijkheid bestaat uit het berekenen van luchtverhitting, het ontwerpen van thermische beschermingssystemen (hitteschilden), het berekenen van de thermische reactie van materialen op hogesnelheidsvluchtvoertuigen, en het ontwikkelen van hulpmiddelen om deze capaciteiten te verbeteren.
“Als een voertuig snel genoeg vliegt om heet te worden, analyseren we het,” zei Kuntz. “Onze hulpmiddelen bestaan uit een reeks computercodes die het stromingsveld rond een hogesnelheidsvluchtvoertuig berekenen, de resulterende verwarming op het oppervlak van het voertuig, en de daaropvolgende temperaturen en ablatie van de materialen die het oppervlak van het voertuig vormen.”
Glass werkt met mechanische eigenschappen bij hoge temperatuur en breukanalyse, en Kotula voert microstructurele en microchemische analyses uit op de keramische materialen.
Kotula past de Automated eXpert Spectral Image Analysis (AXSIA) software (ontwikkeld door Kotula en Michael Keenan, en onlangs gepatenteerd en winnaar van een 2002 R&D 100 award) toe op de karakterisering van hafnium en zirkonium diboride/siliciumcarbide UHTC’s. Kotula bekijkt deze materialen op de lengteschaal van micron tot subnanometer voor korrelgrootte en faseverdeling, evenals onzuiverheden of verontreinigingen die hun mechanische eigenschappen negatief kunnen beïnvloeden.
Boron en koolstof zijn moeilijk te analyseren omdat ze laagenergetische of zachte röntgenstralen afgeven wanneer ze worden geëxciteerd met een elektronenbundel zoals in een scan- of transmissie-elektronenmicroscoop die gewoonlijk voor dergelijke analyses wordt gebruikt. In plaats van röntgenanalysetechnieken te gebruiken, heeft het onderzoeksteam andere analytische mogelijkheden ontwikkeld op basis van elektronen-energieverlies-spectrometrie om hoeveelheden en nanometerschaal laterale distributies van de lichte elementen in de UHTC’s te bepalen.
Zuurstof, in het bijzonder, is een belangrijke onzuiverheid, omdat het, in combinatie met het silicium aanwezig in de UHTC’s en andere onzuiverheden, glazen of andere fasen kan vormen die meestal niet de vereiste hoge werkingstemperaturen aankunnen en zouden smelten of barsten in gebruik, waardoor het materiaal zou falen.
“Als genoeg van de verkeerde verontreinigingen hun weg vinden in het proces, zal het materiaal geen sterkte of stabiliteit bij hoge temperatuur hebben,” zei Kotula.