Ingeniøren patenterer vandlignende polymer for at skabe keramik ved høj temperatur

Keramiske tekstiler, forbedrede jetmotorblade, 3D-trykt keramik og bedre batterier kan snart blive en realitet, takket være en nyligt patenteret polymer fra en ingeniør i Kansas State University.

Brug af fem ingredienser - silicium, bor, kulstof, nitrogen og brint - Gurpreet Singh, Harold O. og Jane C. Massey Neff lektor i mekanik og atomteknik, har skabt en flydende polymer, der kan omdannes til en keramik med værdifuld termisk, optiske og elektroniske egenskaber. Den vandlignende polymer, som bliver en keramik ved opvarmning, kan også masseproduceres.

"Denne polymer er et nyttigt materiale, der virkelig virker, "Sagde Singh." Af alle de materialer, vi har undersøgt i de sidste fem år, dette materiale er det mest lovende. Nu kan vi tænke på at bruge keramik, hvor du aldrig selv kunne forestille dig det. "

Singh er den største opfinder af patentet, "Bor-modificerede silazaner til syntese af SiBNC-keramik." Romil Bhandavat, 2013 doktorgrad i maskinteknik, er medinventer.

Ingeniørerne udviklede den klare polymer, der ligner vand og har samme densitet og viskositet som vand, i modsætning til nogle andre silicium- og borholdige polymerer.

"Vi har skabt en væske, der forbliver en væske ved stuetemperatur og har en længere holdbarhed end andre SiBNC -polymerer, "Sagde Singh." Men når du opvarmer vores polymer, den gennemgår en flydende til fast overgang. Denne gennemsigtige flydende polymer kan transformere til en meget sort, glaslignende keramik. "

Keramik er værdifuldt, fordi det tåler ekstreme temperaturer og bruges til forskellige materialer, herunder tændrør, jetmotorer, høje temperaturovne eller endda rumforskningsmaterialer.

Som en prækeramisk polymer, Singh sagde, at det flydende materiale har flere vigtige egenskaber.

• Polymeren har lav densitet og kan skabe let keramik i stedet for den sædvanlige tunge keramik.
• Polymeren er skalerbar og kan masseproduceres i gram eller kilogram.
• Keramikken, der stammer fra denne polymer, kan overleve ekstreme temperaturer så højt som cirka 1, 700 grader Celsius. Alligevel har keramikken en massetæthed, der er tre til seks gange lavere end for anden keramik med ultrahøj temperatur, såsom zirconiumborid og hafniumcarbid.
• Polymeren kan fremstille keramiske fibre. Hvis polymeren opvarmes til cirka 50 til 100 grader Celsius, det bliver en gel, der ligner sirup eller honning. Under denne gelstilstand, polymeren kan trækkes ind i strenge eller fibre for at skabe keramiske tekstiler eller keramiske net.
• Den flydende polymer har bearbejdningsfleksibilitet. Det kan hældes i forme og opvarmes for præcist at lave komplekse keramiske former.
• Fordi polymeren er en væske, den er sprøjtbar eller kan bruges som maling til fremstilling af keramiske belægninger. Keramikken kan beskytte materialer nedenunder eller kan skabe mere effektive maskiner, der fungerer i miljøer med høj temperatur, såsom dampturbiner eller jetmotorblade. Polymeren kan også bruges til 3D-udskrivning af keramiske dele ved hjælp af en SLA-printer på bordet.
• Når det kombineres med carbon nanorør, polymeren har endnu flere anvendelser. Det kan skabe et sort materiale, der kan absorbere alt lys - selv ultraviolet og infrarødt lys - uden at blive beskadiget. Det kombinerede nanomateriale kan modstå ekstrem varme på 15, 000 watt per kvadratcentimeter, hvilket er cirka 10 gange mere varme end en raketdyse.
• Polymeren kunne bruges til at producere keramik med afstembar elektrisk ledningsevne lige fra isolator eller halvleder.
• Tilstedeværelsen af ​​silicium og grafenlignende kulstof i keramikken kan forbedre elektroder til lithium-ion-batterier.
• Keramikken afledt af denne polymer har en tilfældig struktur, der generelt ikke observeres i traditionel keramik. Silicium i den keramiske binding til nitrogen og kulstof, men ikke bor; borbindinger til nitrogen, men ikke kulstof; og carbonbindinger til et andet carbon for at danne grafenlignende strenge. Denne unikke struktur giver stabilitet ved høj temperatur ved at forsinke reaktion med ilt.

"Tit, forskere har kun set på egenskaber ved høj temperatur, "Singh sagde." Vi er blandt de få, der kiggede på andre ejendomme - såsom elektronisk, elektrokemisk, termiske og optiske egenskaber - og afslørede disse egenskaber i dette materiale. "

Singhs forskning er blevet støttet af National Institute of Standards and Technology radiometriteam og National Science Foundation. Han fortsætter med at undersøge polymerens muligheder for fremstilling af keramiske fibre og endda batterielektroder.

Patentet blev udstedt til Kansas State University Research Foundation, en nonprofit -virksomhed, der er ansvarlig for at styre teknologioverførselsaktiviteter på universitetet.