Ceramica pentru temperaturi ultra-înalte (UHTC), creată în Laboratorul de Materiale Avansate de la Sandia, poate rezista la temperaturi de până la 2000 de grade C (aproximativ 3.800 de grade F).
Ron Loehman, cercetător principal în cadrul Departamentului de Materiale Ceramice de la Sandia, a declarat că rezultatele obținute în primele șapte luni ale proiectului i-au depășit așteptările.
„Plănuim să avem performanțe demonstrate cu succes la scară de laborator în încă un an, cu extinderea la scară în anul următor”, a spus Loehman.
Materialele de izolare termică pentru marginile de atac ascuțite ale vehiculelor hipersonice trebuie să fie stabile la temperaturi foarte ridicate (aproape 2000 de grade C). Materialele trebuie să reziste la evaporare, eroziune și oxidare și trebuie să prezinte o difuzivitate termică scăzută pentru a limita transferul de căldură către structurile de susținere.
Materiale compozite
UHTC-urile sunt compuse din diborură de zirconiu (ZrB2) și diborură de hafniu (HfB2), precum și din materiale compozite ale acestor ceramici cu carbură de siliciu (SiC). Aceste ceramice sunt extrem de dure și au temperaturi de topire ridicate (3245 grade C pentru ZrB2 și 3380 grade C pentru HfB2). Atunci când sunt combinate, materialele formează acoperiri protectoare, rezistente la oxidare, și au presiuni de vapori scăzute la temperaturile potențiale de utilizare.
„Cu toate acestea, în stadiul lor actual de dezvoltare, UHTC-urile au prezentat o rezistență slabă și un comportament slab la șocuri termice, o deficiență care a fost atribuită incapacității de a le fabrica ca ceramică complet densă cu microstructuri bune”, a declarat Loehman.
Loehman a declarat că evaluarea inițială a specimenelor UHTC furnizate de către NASA Thermal Protection Branch cu aproximativ un an în urmă sugerează că proprietățile slabe se datorează aglomerărilor, neomogenităților și impurităților de la granița granulelor, toate acestea putând fi urmărite ca urmare a erorilor de procesare a ceramicii.
În primele șapte luni, cercetătorii au realizat UHTC-uri atât în sistemul ZrB2, cât și în sistemul HfB2, care sunt 100% dense sau aproape. Ele au microstructuri favorabile, după cum indică examinarea microscopică electronică preliminară. În plus, cercetătorii au presat la cald UHTC-uri cu o gamă mult mai largă de conținuturi de SiC decât până acum. Disponibilitatea unei game de compoziții și microstructuri va oferi inginerilor de sistem un plus de flexibilitate în optimizarea proiectelor lor.
Colaborări
Proiectul face parte din programul Sandia Thermal Protection Materials Program și reprezintă activitatea mai multor cercetători de la Sandia. Echipa principală de cercetare este formată din Jill Glass, Paul Kotula, David Kuntz și doctorandul Hans-Peter Dumm de la Universitatea din New Mexico.
Kuntz a declarat că principala sa responsabilitate este de a calcula aeroîncălzirea, de a proiecta sisteme de protecție termică (scuturi termice), de a calcula răspunsul termic al materialelor pe vehiculele de zbor de mare viteză și de a dezvolta instrumente pentru a îmbunătăți aceste capacități.
„Dacă un vehicul zboară suficient de repede pentru a se încălzi, îl analizăm”, a spus Kuntz. „Instrumentele noastre constau într-un set de coduri de calculator care calculează câmpul de curgere în jurul unui vehicul de zbor de mare viteză, încălzirea rezultată pe suprafața vehiculului și temperaturile și ablația ulterioară a materialelor care formează suprafața vehiculului.”
Glass lucrează cu proprietățile mecanice la temperaturi înalte și analiza fracturilor, iar Kotula efectuează analiza microstructurală și microchimică a materialelor ceramice.
Kotula aplică software-ul Automated eXpert Spectral Image Analysis (AXSIA) (dezvoltat de Kotula și Michael Keenan, recent patentat și câștigător al unui premiu R&D 100 în 2002) pentru caracterizarea UHTC-urilor din diborură de hafniu și zirconiu/carbură de siliciu. Kotula analizează aceste materiale la scara de lungime de la micron până la subnanometru pentru dimensiunea grăuntelui și distribuția fazelor, precum și impuritățile sau contaminanții care le pot afecta negativ proprietățile mecanice.
Boronul și carbonul sunt dificil de analizat deoarece emit raze X de energie joasă sau moi atunci când sunt excitate cu un fascicul de electroni, așa cum se întâmplă într-un microscop electronic de scanare sau de transmisie utilizat de obicei pentru astfel de analize. În loc să folosească tehnici de analiză cu raze X, echipa de cercetare a dezvoltat alte capacități analitice bazate pe spectrometria de pierdere de energie a electronilor pentru a determina cantitățile și distribuțiile laterale la scară nanometrică ale elementelor ușoare din UHTC-uri.
Oxigenul, în special, este o impuritate importantă deoarece, în combinație cu siliciul prezent în UHTC-uri și cu alte impurități, poate forma vetre sau alte faze care, de obicei, nu pot suporta temperaturile ridicate de funcționare necesare și s-ar topi sau s-ar fisura în timpul funcționării, provocând defectarea materialului.
„Dacă o cantitate suficientă de contaminanți nepotriviți își găsesc calea în proces, materialul nu va avea rezistență sau stabilitate la temperaturi ridicate”, a spus Kotula.
.