Keramisch textiel, verbeterde straalmotorbladen, 3D-geprint keramiek en betere batterijen kunnen binnenkort werkelijkheid worden, dankzij een recent gepatenteerd polymeer van een ingenieur van de Kansas State University.

Met behulp van vijf ingrediënten-silicium, boor, koolstof, stikstof en waterstof - Gurpreet Singh, Harold O. en Jane C. Massey Neff universitair hoofddocent mechanische en nucleaire techniek, heeft een vloeibaar polymeer gecreëerd dat kan transformeren in een keramiek met waardevolle thermische, optische en elektronische eigenschappen. Het waterachtige polymeer, die bij verhitting een keramiek wordt, kan ook in massa worden geproduceerd.

"Dit polymeer is een nuttig materiaal dat echt werkt, Singh zei. "Van alle materialen die we de afgelopen vijf jaar hebben onderzocht, dit materiaal is het meest veelbelovend. Nu kunnen we denken aan het gebruik van keramiek waar je je nooit zou kunnen voorstellen."

Singh is de hoofduitvinder van het patent, "Boor-gemodificeerde silazanen voor de synthese van SiBNC-keramiek." Romil Bhandavat, 2013 doctoraal werktuigbouwkunde, is mede-uitvinder.

De ingenieurs ontwikkelden het heldere polymeer dat eruitziet als water en dezelfde dichtheid en viscositeit heeft als water, in tegenstelling tot sommige andere silicium- en boorbevattende polymeren.

"We hebben een vloeistof gecreëerd die bij kamertemperatuur vloeibaar blijft en een langere houdbaarheid heeft dan andere SiBNC-polymeren, "Zei Singh. "Maar als je ons polymeer verwarmt, het ondergaat een overgang van vloeibaar naar vast. Dit transparante vloeibare polymeer kan veranderen in een zeer zwarte, glasachtig keramiek."

Keramiek is waardevol omdat het bestand is tegen extreme temperaturen en wordt gebruikt voor een verscheidenheid aan materialen, inclusief bougies, Jet motoren, ovens op hoge temperatuur of zelfs materialen voor ruimteverkenning.

Als een voorkeramisch polymeer, Singh zei dat het vloeibare materiaal verschillende belangrijke eigenschappen heeft.

• Het polymeer heeft een lage dichtheid en kan lichtgewicht keramiek maken in plaats van het gebruikelijke zware keramiek.
• Het polymeer is schaalbaar en kan in massa worden geproduceerd in gram of kilogram.
• Het keramiek dat van dit polymeer is afgeleid, kan extreme temperaturen tot ongeveer 1 overleven. 700 graden Celsius. Toch heeft keramiek een massadichtheid die drie tot zes keer lager is dan die van andere keramiek bij ultrahoge temperaturen. zoals zirkoniumboride en hafniumcarbide.
• Het polymeer kan keramische vezels maken. Als het polymeer wordt verwarmd tot ongeveer 50 tot 100 graden Celsius, het wordt een gel die lijkt op siroop of honing. Tijdens deze geltoestand, het polymeer kan in draden of vezels worden getrokken om keramisch textiel of keramisch gaas te maken.
• Het vloeibare polymeer heeft verwerkingsflexibiliteit. Het kan in mallen worden gegoten en worden verwarmd om nauwkeurig complexe keramische vormen te maken.
• Omdat het polymeer een vloeistof is, het is spuitbaar of kan worden gebruikt als verf om keramische coatings te maken. Het keramiek kan materialen eronder beschermen of kan efficiëntere machines creëren die werken in omgevingen met hoge temperaturen, zoals stoomturbines of straalmotorbladen. Het polymeer kan ook worden gebruikt voor het 3D-printen van keramische onderdelen met behulp van een benchtop SLA-printer.
• In combinatie met koolstofnanobuisjes, het polymeer kent nog meer toepassingen. Het kan een zwart materiaal creëren dat al het licht kan absorberen - zelfs ultraviolet en infrarood licht - zonder te worden beschadigd. Het gecombineerde nanomateriaal is bestand tegen extreme hitte van 15, 000 watt per vierkante centimeter, dat is ongeveer 10 keer meer warmte dan een raketmondstuk.
• Het polymeer zou kunnen worden gebruikt om keramiek te produceren met een afstembare elektrische geleidbaarheid variërend van isolator tot halfgeleider.
• De aanwezigheid van silicium en grafeenachtige koolstof in het keramiek kan de elektroden voor lithium-ionbatterijen verbeteren.
• Het keramiek afgeleid van dit polymeer heeft een willekeurige structuur die over het algemeen niet wordt waargenomen in traditionele keramiek. Het silicium in de keramiek bindt zich aan stikstof en koolstof, maar niet aan boor; boorbindingen aan stikstof maar niet aan koolstof; en koolstofbindingen aan een andere koolstof om grafeenachtige snaren te vormen. Deze unieke structuur zorgt voor stabiliteit bij hoge temperatuur door de reactie met zuurstof te vertragen.

"Vaak, onderzoekers hebben alleen gekeken naar eigenschappen bij hoge temperaturen, " Singh zei. "We zijn een van de weinigen die naar andere eigenschappen hebben gekeken, zoals elektronische, elektro-chemisch, thermische en optische eigenschappen - en deze eigenschappen in dit materiaal blootgelegd."

Singh's onderzoek is ondersteund door het radiometrieteam van het National Institute of Standards and Technology en de National Science Foundation. Hij blijft de mogelijkheden van het polymeer onderzoeken om keramische vezels en zelfs batterij-elektroden te maken.

Het patent is verleend aan de Kansas State University Research Foundation, een non-profitorganisatie die verantwoordelijk is voor het beheer van activiteiten op het gebied van technologieoverdracht aan de universiteit.