A cerâmica de Ultra Alta Temperatura (UHTCs), criada no Laboratório de Materiais Avançados da Sandia, pode suportar até 2000 graus C (cerca de 3.800 graus F).
Ron Loehman, um cientista sénior do Laboratório de Materiais Cerâmicos da Sandia, disse que os resultados dos primeiros sete meses do projecto excederam as suas expectativas.
“Planejamos ter demonstrado um desempenho bem sucedido na escala de laboratório em mais um ano com aumento de escala no próximo ano”, disse Loehman.
Os materiais de isolamento térmico para bordas afiadas em veículos hipersônicos devem ser estáveis a temperaturas muito altas (perto de 2000 graus C). Os materiais devem resistir à evaporação, erosão e oxidação, e devem exibir baixa difusividade térmica para limitar a transferência de calor para estruturas de suporte.
Materiais compostos
UHTCs são compostos de diboreto de zircônio (ZrB2) e diboreto de háfnio (HfB2), e compostos daquelas cerâmicas com carboneto de silício (SiC). Estas cerâmicas são extremamente duras e têm altas temperaturas de fusão (3245 graus C para ZrB2 e 3380 graus C para HfB2). Quando combinado, o material forma revestimentos protetores, resistentes à oxidação, e tem baixas pressões de vapor em temperaturas de uso potencial.
“Entretanto, em seu estado atual de desenvolvimento, os UHTCs têm demonstrado baixa resistência e comportamento de choque térmico, uma deficiência que tem sido atribuída à incapacidade de fazê-los como cerâmicas totalmente densas com boas microestruturas”, disse Loehman.
Loehman disse que a avaliação inicial dos espécimes de UHTC fornecida pelo Ramo de Proteção Térmica da NASA há cerca de um ano sugere que as fracas propriedades se deveram a aglomerados, inomogeneidades e impurezas de limite de grão, tudo isso pode ser atribuído a erros no processamento da cerâmica.
Durante os primeiros sete meses, os pesquisadores fizeram UHTCs nos sistemas ZrB2 e HfB2 que são 100% densos ou quase. Eles possuem microestruturas favoráveis, conforme indicado pelo exame microscópico eletrônico preliminar. Além disso, os pesquisadores têm UHTCs prensados a quente com uma gama muito maior de conteúdos de SiC do que nunca. A disponibilidade de uma gama de composições e microestruturas dará aos engenheiros de sistemas maior flexibilidade na otimização de seus projetos.
Colaborações
O projeto é parte do Programa de Materiais de Proteção Térmica Sandia e representa o trabalho de vários pesquisadores Sandia. A equipe de pesquisa principal consiste de Jill Glass, Paul Kotula, David Kuntz, e o estudante de doutorado da Universidade do Novo México Hans-Peter Dumm.
Kuntz disse que sua principal responsabilidade é computar o aquecimento aéreo, projetar sistemas de proteção térmica (escudos térmicos), computar a resposta térmica do material em veículos de vôo de alta velocidade e desenvolver ferramentas para melhorar essas capacidades.
“Se um veículo voa rápido o suficiente para ficar quente, nós o analisamos”, disse Kuntz. “Nossas ferramentas consistem em um conjunto de códigos de computador que computam o campo de fluxo em torno de um veículo de vôo de alta velocidade, o aquecimento resultante na superfície do veículo e as temperaturas subsequentes e a ablação dos materiais que formam a superfície do veículo”.
Avaliações de vidros com propriedades mecânicas de alta temperatura e análise de fraturas, e Kotula realiza análises microestruturais e microquímicas nos materiais cerâmicos.
Kotula aplica o software Automated eXpert Spectral Image Analysis (AXSIA) (desenvolvido por Kotula e Michael Keenan, e recentemente patenteado e vencedor de um prémio R&D 100 em 2002) à caracterização do háfnio e do diboreto de zircónio/carboneto de silício UHTC. Kotula olha para estes materiais na escala de micron a subnanômetro de comprimento para tamanho de grão e distribuição de fase, bem como impurezas ou contaminantes que podem afetar adversamente suas propriedades mecânicas.
Boron e carbono são difíceis de analisar porque emitem raios X de baixa energia ou suaves quando excitados com um feixe de elétrons, como em um microscópio eletrônico de varredura ou transmissão tipicamente usado para tais análises. Em vez de utilizar técnicas de análise de raios X, a equipe de pesquisa desenvolveu outras capacidades analíticas baseadas na espectrometria de perda de energia de elétrons para determinar quantidades e distribuições laterais em escala nanométrica dos elementos de luz nos UHTCs.
O oxigênio, em particular, é uma impureza importante, pois, em combinação com o silício presente nos UHTCs e outras impurezas, pode formar vidros ou outras fases que tipicamente não conseguem suportar as altas temperaturas de operação necessárias e derreteria ou racharia em serviço, causando a falha do material.
“Se um número suficiente de contaminantes errados encontrar seu caminho para o processo, o material não terá resistência ou estabilidade a altas temperaturas”, disse Kotula.