Hybride nanomaterialer lover forbedrede keramiske kompositter

Forskere ved Wright-Patterson Air Force Base søger at patentere en ny proces til fremstilling af en type materiale kaldet prækeramiske polymer-podede nanopartikler, eller "hårede nanopartikler" (HNP).

En HNP er et hybridmateriale bestående af en polymerskal bundet til en fast nanopartikelkerne. Polymeren - en kæde af gentagne molekyler - danner "håret" omkring nanopartiklerne, som er nogenlunde på størrelse med en lille virus.

Selvom HNP'er har eksisteret i mange år, Det, der gør denne anderledes, er den type polymer, der er knyttet til kernepartiklen. Det er en præ-keramisk polymer, en særlig klasse af polymerer, der anvendes til dannelse af højtydende keramiske fibre og kompositter.

"Den specielle polymer, der bruges i vores proces, er det, der adskiller vores arbejde, " sagde projektleder Dr. Matthew Dickerson. "Forskere har tidligere lavet den slags behårede nanopartikler, men de har brugt organiske polymerer som polystyren. Vores polymer er anderledes; det er uorganisk, fordi det indeholder silicium. Det er lidt ligesom silikoner (caulk), som har en rygrad af silicium og ilt gentagelser, men vores har en rygrad af silicium og kulstofgentagelser."

Denne silicium- og kulstofkemi gør det muligt for polymeren at omdannes til en siliciumcarbidkeramik, når den opvarmes til høje temperaturer.

De HNP'er, der er resultatet af denne særlige proces, vil blive brugt til fremstilling af flydele lavet af keramisk kompositmateriale. "Keramiske kompositter bruges til højtemperatur US Air Force-applikationer, der drager fordel af materialer, der har lavere densitet end metaller, inklusive jetmotor og hypersoniske køretøjskomponenter, " sagde Dickerson. "HNP'erne, vi syntetiserede, er forudset til den type applikationer."

Dette specielle hybridmateriale, imidlertid, er ikke lavet ved blot at blande polymeren og nanopartiklerne sammen og håbe på det bedste. "En simpel blanding ville resultere i noget som en kitt eller en skør blanding, " sagde Dickerson, "men det hybridmateriale, vi ender med, flyder mere som melasse, så det vil lettere flyde ind i en porøs keramik."

Under fremstillingen af ​​en keramisk matrixkomposit, de materialer, der bruges til at binde de keramiske fibre sammen, krymper betydeligt. Denne krympning resulterer i revner og hulrum, der skal genopfyldes, eller infiltreret. Et af de vigtigste krav til hybridmaterialet fremstillet af HNP'erne er, at det skal flyde let, så det kan infiltrere disse hulrum.

Med nuværende state-of-the-art processer, keramikken skal gennemgå flere cyklusser (seks til ti) med infiltration for at opnå den ønskede tæthed. Den nye proces beskrevet i patentansøgningen, samt i et papir for nylig offentliggjort i Materialernes kemi , giver et materiale, der potentielt kan reducere antallet af infiltrationscyklusser med omkring det halve, resulterer i en mere omkostningseffektiv, hurtigere at producere komponent.

Selv med de overlegne højtemperaturegenskaber af keramiske kompositter i forhold til konventionelle metalkomponenter, at reducere deres omkostninger er nøglen til at muliggøre deres udbredte brug i krævende luftvåbens applikationer.

Projektet blev finansieret af Air Force Office of Scientific Research. "Denne forskning er et stort teknologisk fremskridt i syntesen af ​​keramiske nanokompositter, sagde Dr. Ming-Jen Pan, Program Officer hos AFOSR. "Det giver en hidtil uset kontrol over hybridmaterialers nanostruktur. Jeg er begejstret for de muligheder, denne opdagelse bringer til design og forarbejdning af fremtidige kompositmaterialer."

Der blev modtaget yderligere midler til at se på, hvordan materialernes kemi dikterer deres egenskaber.

"Dette var et svært projekt at lave. Det tog næsten tre år at få det rigtigt, " sagde Dickerson. "Det var en rigtig sejr for Kara, " han tilføjede, med henvisning til forsker Dr. Kara L. Martin. "At udvikle den kemiske synteseprocedure til at fremstille disse partikler er meget vanskelig. Hendes friske ideer og vedholdenhed gjorde det muligt for hende at se projektet igennem til succes."