Forskere skaber hårdt materiale til næste generation af kraftfulde motorer

For at stå op til varmen og trykket fra næste generations raketmotorer, de sammensatte fibre, der bruges til at lave dem, skal være uklare.

Rice Universitets laboratorium for materialeforsker Pulickel Ajayan, i samarbejde med NASA, har udviklet "fuzzy fibre" af siliciumcarbid, der fungerer som velcro og tåler den straf, som materialer oplever i rumfartsapplikationer.

Fibrene styrker kompositter, der bruges i avancerede raketmotorer, der skal tåle temperaturer op til 1, 600 grader Celsius (2, 912 grader Fahrenheit). Keramiske kompositter i raketter, der nu udvikles, bruger siliciumcarbidfibre til at styrke materialet, men de kan revne eller blive sprøde, når de udsættes for ilt.

Rice -laboratoriet indlejrede siliciumcarbid -nanorør og nanotråde i overfladen af ​​NASA's fibre. De udsatte dele af fibrene er krøllede og fungerer som de kroge og sløjfer, der gør velcro så værdifuld - men på nanoskalaen.

Resultatet, ifølge ledende forskere Amelia Hart, en ris -kandidatstuderende, og Chandra Sekhar Tiwary, en ris -postdoktor, skaber meget stærke sammenlåsende forbindelser, hvor fibrene floker sig; dette gør ikke kun kompositmaterialet mindre tilbøjeligt til at revne, men forsegler det også for at forhindre ilt i at ændre fiberens kemiske sammensætning.

Arbejdet er detaljeret i American Chemical Society journal Anvendte materialer og grænseflader .

Arbejdet begyndte, da Hart, der havde studeret væksten af ​​kulstofnanorør på keramisk uld, mødte Michael Meador, derefter en videnskabsmand ved NASA's Glenn Research Center, Cleveland, ved kickoff -receptionen for Rice's Materials Science and NanoEngineering Department. (Meador er nu nanoteknologisk projektleder ved NASA's Game Changing Technologies -program.)

Det førte til et fællesskab i Cleveland og chancen for at kombinere hendes ideer med NASAs forskningsingeniør og medforfatter Janet Hurst. "Hun konverterede delvist siliciumcarbid fra kulnanorør, "Sagde Hart." Vi brugte hendes formulering og min evne til at dyrke nanorør og fandt ud af, hvordan man lavede det nye komposit. "

Tilbage til Rice, Hart og hendes kolleger voksede deres kroge og sløjfer ved først at bade siliciumcarbidfibre i en jernkatalysator og derefter bruge vandassisteret kemisk dampaflejring, en proces, der delvis er udviklet hos Rice, for at indlejre et tæppe af carbon nanorør direkte i overfladen. Disse bliver skabelonen for det endelige produkt. Fibrene blev derefter opvarmet i siliciumnanopulver ved høj temperatur, som omdanner carbon nanorørene til siliciumcarbid "fuzz".

Forskerne håber, at deres fuzzy fibre vil opgradere de stærke, lette og varmebestandige siliciumcarbidfibre, der, når de sættes i keramiske kompositter, bliver testet for robuste dyser og andre dele i raketmotorer. "Den siliciumcarbidfibre, de allerede bruger, er stabil til 1, 600 C, "Så sagde Tiwary." Så vi er overbeviste om, at fastgørelse af siliciumcarbid-nanorør og ledninger for at tilføre styrke vil gøre det endnu mere banebrydende. "

De nye materialer skulle også gøre hele turbomotorer betydeligt lettere, Sagde Hart. "Før de brugte siliciumcarbidkompositter, mange motordele var fremstillet af nikkelsuperlegeringer, der skulle have et kølesystem, hvilket gav vægt til det hele, "sagde hun." Ved at skifte til keramiske matrixkompositter, de kunne tage kølesystemet ud og gå til højere temperaturer. Vores materiale gør det muligt at skabe større, længerevarende turbo jetmotorer, der går til højere temperaturer end nogensinde før. "

Friktions- og kompressionstest viste, at den laterale kraft, der var nødvendig for at flytte siliciumcarbid -nanorør og ledninger over hinanden, var meget større end den, der var nødvendig for at glide forbi enten almindelige nanorør eller uforbedrede fibre, rapporterede forskerne. De var også i stand til let at hoppe tilbage fra høj kompression påført med en nano-indrykker, som viste deres evne til at modstå at bryde sammen i længere tid.

Test for at se, hvor godt fibrene håndterede varme, viste almindelige kulstofnanorør, der brændte væk fra fibrene, men siliciumcarbid -nanorør modstod let temperaturer på op til 1, 000 C.

Hart sagde, at det næste trin vil være at anvende hendes konverteringsteknikker til andre kulstofnanomaterialer for at skabe unikke tredimensionelle materialer til yderligere applikationer.