Den ultrahög temperaturkeramik (UHTC), som skapats i Sandias Advanced Materials Laboratory, tål upp till 2000 grader C (cirka 3800 grader F).
Ron Loehman, seniorforskare inom Sandias keramiska material, säger att resultaten från projektets första sju månader har överträffat hans förväntningar.
”Vi planerar att ha demonstrerat framgångsrik prestanda i laboratorieskala om ytterligare ett år med uppskalning nästa år”, sade Loehman.
Thermiska isoleringsmaterial för skarpa framkanter på hypersoniska farkoster måste vara stabila vid mycket höga temperaturer (nära 2000 grader C). Materialen måste motstå avdunstning, erosion och oxidation och bör uppvisa låg termisk diffusivitet för att begränsa värmeöverföringen till stödstrukturer.
Kompositmaterial
UHTC:erna består av zirkoniumdiborid (ZrB2) och hafniumdiborid (HfB2) och kompositer av dessa keramiska material med kiselkarbid (SiC). Dessa keramiska material är extremt hårda och har höga smälttemperaturer (3245 grader C för ZrB2 och 3380 grader C för HfB2). När materialet kombineras bildar det skyddande, oxidationsbeständiga beläggningar och har låga ångtryck vid potentiella användningstemperaturer.
”I sitt nuvarande utvecklingsstadium har UHTC:s dock uppvisat dålig hållfasthet och termiskt chockbeteende, en brist som har tillskrivits oförmågan att tillverka dem som helt täta keramiska material med bra mikrostrukturer”, sade Loehman.
Loehman sade att den första utvärderingen av UHTC-prover som tillhandahölls av NASA:s avdelning för värmeskydd för ungefär ett år sedan tyder på att de dåliga egenskaperna berodde på agglomerater, inhomogeniteter och orenheter vid korngränserna, som alla kunde spåras till fel i den keramiska bearbetningen.
Under de första sju månaderna tillverkade forskarna UHTC:er i både ZrB2- och HfB2-systemen som är 100 procent täta eller nästan täta. De har gynnsamma mikrostrukturer, vilket framgår av en preliminär elektronmikroskopisk undersökning. Dessutom har forskarna varmpressat UHTC:er med ett mycket bredare spektrum av SiC-innehåll än någonsin tidigare. Tillgången till en rad olika sammansättningar och mikrostrukturer kommer att ge systemingenjörer ökad flexibilitet när de optimerar sina konstruktioner.
Samarbeten
Projektet är en del av Sandias materialprogram för värmeskydd och representerar flera Sandia-forskares arbete. Den primära forskargruppen består av Jill Glass, Paul Kotula, David Kuntz och doktoranden Hans-Peter Dumm från University of New Mexico.
Kuntz sade att hans främsta ansvarsområde är att beräkna flyguppvärmning, konstruera värmeskyddssystem (värmesköldar), beräkna materialens termiska respons på höghastighetsflygplan och att utveckla verktyg för att förbättra dessa möjligheter.
”Om ett fordon flyger tillräckligt snabbt för att bli varmt, analyserar vi det”, sade Kuntz. ”Våra verktyg består av en uppsättning datorkoder som beräknar flödesfältet runt ett höghastighetsflygfordon, den resulterande uppvärmningen på fordonets yta och de efterföljande temperaturerna och ablationen av de material som bildar fordonets yta.”
Glass arbetar med mekaniska egenskaper vid höga temperaturer och analys av brott, och Kotula utför mikrostrukturella och mikrokemiska analyser på de keramiska materialen.
Kotula tillämpar programvaran Automated eXpert Spectral Image Analysis (AXSIA) (utvecklad av Kotula och Michael Keenan, nyligen patenterad och vinnare av ett R&D 100-pris 2002) för att karaktärisera UHTC:er av hafnium och zirkoniumdiborid/silikonkarbid. Kotula undersöker dessa material på mikron- till subnanometerlängdsskalan för kornstorlek och fasfördelning samt orenheter eller föroreningar som kan påverka deras mekaniska egenskaper negativt.
Bor och kol är svåra att analysera eftersom de avger röntgenstrålar med låg energi eller mjuka röntgenstrålar när de exciteras med en elektronstråle som i ett skanningselektronmikroskop eller transmissionselektronmikroskop som vanligtvis används för sådana analyser. I stället för att använda röntgenanalysmetoder har forskargruppen utvecklat andra analysmöjligheter baserade på elektronenergiförlustspektrometri för att bestämma mängder och laterala fördelningar i nanometerskala av de lätta elementen i UHTC:erna.
Särskilt syre är en viktig förorening eftersom det i kombination med det kisel som finns i UHTC:erna och andra föroreningar kan bilda glas eller andra faser som vanligtvis inte klarar de höga driftstemperaturer som krävs och som skulle smälta eller spricka i drift, vilket skulle få materialet att gå sönder.
”Om tillräckligt många av de felaktiga föroreningarna kommer in i processen kommer materialet att sakna hållfasthet eller stabilitet vid höga temperaturer”, sa Kotula.