Ceramika ultra-wysokotemperaturowa (UHTCs), stworzona w Sandia’s Advanced Materials Laboratory, może wytrzymać do 2000 stopni C (około 3800 stopni F).
Ron Loehman, starszy naukowiec w Sandia’s Ceramic Materials, powiedział, że wyniki z pierwszych siedmiu miesięcy projektu przekroczyły jego oczekiwania.
„Planujemy zademonstrować udaną wydajność w skali laboratoryjnej w ciągu kolejnego roku, z powiększeniem skali w następnym roku,” powiedział Loehman.
Materiały izolacji termicznej dla ostrych krawędzi czołowych w pojazdach hipersonicznych muszą być stabilne w bardzo wysokich temperaturach (blisko 2000 stopni C). Materiały te muszą być odporne na parowanie, erozję i utlenianie oraz powinny wykazywać niską dyfuzyjność cieplną, aby ograniczyć transfer ciepła do struktur nośnych.
Materiały kompozytowe
UHTC składają się z diborku cyrkonu (ZrB2) i diborku hafnu (HfB2) oraz kompozytów tych ceramik z węglikiem krzemu (SiC). Ceramika ta jest niezwykle twarda i ma wysokie temperatury topnienia (3245 stopni C dla ZrB2 i 3380 stopni C dla HfB2). Po połączeniu, materiał tworzy ochronne, odporne na utlenianie powłoki i ma niskie ciśnienie pary w potencjalnych temperaturach użytkowania.
„Jednak w ich obecnym stanie rozwoju, UHTCs wykazały słabą wytrzymałość i zachowanie przy szoku termicznym, niedobór, który został przypisany do niezdolności do ich wykonania jako w pełni gęstej ceramiki z dobrymi mikrostrukturami”, powiedział Loehman.
Loehman powiedział, że wstępna ocena próbek UHTC dostarczonych przez Oddział Ochrony Cieplnej NASA około rok temu sugeruje, że słabe właściwości były spowodowane aglomeratami, niejednorodnościami i zanieczyszczeniami na granicy ziaren, z których wszystkie mogą być przypisane do błędów w przetwarzaniu ceramiki.
Przez pierwsze siedem miesięcy, naukowcy wykonali UHTC w obu systemach ZrB2 i HfB2, które są w 100 procentach gęste lub prawie tak. Mają one korzystne mikrostruktury, jak wskazują wstępne badania mikroskopem elektronowym. Ponadto, naukowcy wytłoczyli na gorąco UHTC o znacznie szerszym zakresie zawartości SiC niż kiedykolwiek wcześniej. Dostępność szerokiego zakresu kompozycji i mikrostruktur zapewni inżynierom systemowym dodatkową elastyczność w optymalizacji ich projektów.
Współpraca
Projekt jest częścią Programu Materiałów Ochrony Termicznej Sandii i reprezentuje pracę kilku naukowców Sandii. Główny zespół badawczy składa się z Jill Glass, Paula Kotuli, Davida Kuntza i doktoranta Uniwersytetu Nowego Meksyku Hansa-Petera Dumma.
Kuntz powiedział, że jego głównym zadaniem jest obliczenie ogrzewania lotniczego, projektowanie systemów ochrony termicznej (osłony cieplne), obliczenie odpowiedzi termicznej materiału na szybkich pojazdach latających oraz opracowanie narzędzi do poprawy tych możliwości.
„Jeśli pojazd leci wystarczająco szybko, aby się nagrzać, analizujemy to”, powiedział Kuntz. „Nasze narzędzia składają się z zestawu kodów komputerowych, które obliczają pole przepływu wokół pojazdu latającego z dużą prędkością, wynikające z tego nagrzewanie się powierzchni pojazdu oraz kolejne temperatury i ablację materiałów, które tworzą powierzchnię pojazdu.”
Glass pracuje nad wysokotemperaturowymi właściwościami mechanicznymi i analizą pęknięć, a Kotula wykonuje analizę mikrostrukturalną i mikrochemiczną materiałów ceramicznych.
Kotula stosuje oprogramowanie Automated eXpert Spectral Image Analysis (AXSIA) (opracowane przez Kotulę i Michaela Keenana, niedawno opatentowane i nagrodzone w 2002 roku nagrodą R&D 100) do charakterystyki materiałów UHTC z diborku hafnu i cyrkonu/węglika krzemu. Kotula przygląda się tym materiałom w skali od mikrona do subnanometra pod kątem wielkości ziarna i rozkładu faz, a także zanieczyszczeń, które mogą negatywnie wpływać na ich właściwości mechaniczne.
Boron i węgiel są trudne do analizy, ponieważ wydzielają niskoenergetyczne lub miękkie promieniowanie rentgenowskie, gdy są wzbudzane wiązką elektronów, jak w skaningowym lub transmisyjnym mikroskopie elektronowym, zwykle używanym do takich analiz. Zamiast stosowania technik analizy rentgenowskiej, zespół badawczy opracował inne możliwości analityczne oparte na spektrometrii strat energii elektronów w celu określenia ilości i rozkładu poprzecznego w skali nanometrowej lekkich pierwiastków w UHTC.
Tlen, w szczególności, jest ważnym zanieczyszczeniem, ponieważ w połączeniu z krzemu obecnego w UHTCs i innych zanieczyszczeń, może tworzyć szkła lub innych faz, które zazwyczaj nie może podjąć wymagane wysokie temperatury pracy i będzie topić lub pękać w obsłudze, powodując materiał do fail.
„Jeśli wystarczająco dużo złych zanieczyszczeń znaleźć drogę do procesu, materiał nie będzie miał wytrzymałość lub stabilność w wysokich temperaturach,” Kotula said.
.