Hybride nanomaterialen zijn veelbelovend voor verbeterde keramische composieten

Onderzoekers van de luchtmachtbasis Wright-Patterson proberen een nieuw proces te patenteren voor het vervaardigen van een soort materiaal dat voorkeramische polymeer-geënte nanodeeltjes of “harige nanodeeltjes” (HNP) wordt genoemd.

Een HNP is een hybride materiaal dat bestaat uit een polymeeromhulsel dat is gebonden aan een vaste kern van nanodeeltjes. Het polymeer – een ketting van zich herhalende moleculen – vormt het ‘haar’ rond het nanodeeltje, dat ongeveer zo groot is als een klein virus.

Hoewel HNP’s al vele jaren bestaan, onderscheidt deze zich door het type polymeer dat aan het kerndeeltje wordt gehecht. Het is een pre-keramisch polymeer, een speciale klasse polymeer die wordt gebruikt bij de vorming van hoogwaardige keramische vezels en composieten.

“Het speciale polymeer dat in ons proces wordt gebruikt, is wat ons werk onderscheidt”, zei projectleider Dr. Matthew Dickerson. “Onderzoekers hebben in het verleden dit soort harige nanodeeltjes gemaakt, maar ze hebben organische polymeren zoals polystyreen gebruikt. Ons polymeer is anders; het is anorganisch omdat het silicium bevat. Het lijkt een beetje op siliconen (caulk), die een ruggengraat van silicium hebben. en zuurstofherhalingen, maar die van ons heeft een ruggengraat van silicium- en koolstofherhalingen. “

Door deze silicium- en koolstofchemie kan het polymeer bij verhitting tot hoge temperaturen worden omgezet in een siliciumcarbide-keramiek.

De HNP’s die het resultaat zijn van dit speciale proces zullen worden gebruikt bij de fabricage van vliegtuigonderdelen van keramisch composietmateriaal. “Keramische composieten worden gebruikt voor hogetemperatuurtoepassingen van de US Air Force die profiteren van materialen met een lagere dichtheid dan metalen, waaronder straalmotoren en hypersonische voertuigonderdelen”, aldus Dickerson. “De HNP’s die we hebben samengesteld, zijn bedoeld voor dat soort toepassingen.”

Dit speciale hybride materiaal wordt echter niet gemaakt door simpelweg het polymeer en de nanodeeltjes met elkaar te mengen en er het beste van te hopen. “Een eenvoudig mengsel zou resulteren in zoiets als een stopverf of een bros mengsel”, zei Dickerson, “maar het hybride materiaal waarmee we eindigen, vloeit meer als melasse, zodat het gemakkelijker in een poreus keramiek zal stromen.”

Bij het vervaardigen van een keramische matrixcomposiet krimpen de materialen die worden gebruikt om de keramische vezels aan elkaar te binden aanzienlijk. Dit krimpen resulteert in scheuren en holtes die opnieuw gevuld of geïnfiltreerd moeten worden. Een van de belangrijkste vereisten van het hybride materiaal dat van de HNP’s is gemaakt, is dat het gemakkelijk moet stromen, zodat het in die holtes kan infiltreren.

Met de huidige state-of-the-art processen moet het keramiek verschillende cycli (zes tot tien) infiltratie ondergaan om de gewenste dichtheid te bereiken. Het nieuwe proces beschreven in de octrooiaanvraag, evenals in een artikel dat onlangs is gepubliceerd in Chemie van materialen, levert een materiaal op dat mogelijk het aantal infiltratiecycli met ongeveer de helft zou kunnen verminderen, wat resulteert in een meer kosteneffectieve, sneller te produceren component.

Zelfs met de superieure eigenschappen van keramische composieten bij hoge temperaturen ten opzichte van conventionele metalen componenten, is het verlagen van de kosten de sleutel tot wijdverbreid gebruik in veeleisende luchtmachttoepassingen.

Het project werd gefinancierd door het Air Force Office of Scientific Research. “Dit onderzoek is een belangrijke technologische vooruitgang in de synthese van keramische nanocomposieten,” zei Dr. Ming-Jen Pan, programmamedewerker bij AFOSR. “Het biedt een ongekende controle over de nanostructuur van hybride materialen. Ik ben enthousiast over de mogelijkheden die deze ontdekking biedt voor het ontwerp en de verwerking van toekomstige composietmaterialen. “

Er werd aanvullende financiering ontvangen om te kijken hoe de chemie van de materialen hun eigenschappen dicteert.

“Dit was een moeilijk project om te doen. Het heeft bijna drie jaar geduurd voordat het goed was”, aldus Dickerson. “Het was een echte overwinning voor Kara,” voegde hij eraan toe, verwijzend naar onderzoekswetenschapper Dr. Kara L. Martin. “Het ontwikkelen van de chemische syntheseprocedure om deze deeltjes te maken is erg moeilijk. Haar frisse ideeën en vasthoudendheid stelden haar in staat het project tot een succes te maken.”