Wetenschap
Vastestofreactie tussen meerfasige keramiek met meerdere componenten verbetert de ablatieprestaties, zo blijkt uit onderzoek
Multicomponent keramiek met ultrahoge temperatuur (UHTC) heeft veel aandacht getrokken in onderzoek vanwege zijn superieure mechanische eigenschappen bij hoge temperaturen, lagere thermische geleidbaarheid en verbeterde oxidatieweerstand.
Meerfasig ontwerp is een veelbelovende aanpak om verbeterde ablatieweerstand van uit meerdere componenten bestaande UHTC te bereiken, waarmee mogelijk wordt voldaan aan de strenge eisen voor thermische beschermingsmaterialen (TPM's) voor de lucht- en ruimtevaart. Het begrijpen van het ablatiemechanisme van meerfasige, uit meerdere componenten bestaande keramiek is echter van fundamenteel belang.
In het verleden werd algemeen aangenomen dat de samenstellende fasen van de uit meerdere fasen bestaande UHTC met meerdere componenten niet met elkaar zouden reageren tijdens ablatie. Een team van onderzoekers onder leiding van Xiang Xiong en Yi Zeng van de Central South University in China rapporteerde echter een nieuw vastestofreactieproces tussen verschillende fasen met meerdere componenten tijdens ablatie.
Het werk is gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Powder Materials .
Hun onderzoek concentreerde zich op een driefasig meercomponentenkeramiek bestaande uit Hf-rijke carbide-, Nb-rijke carbide- en Zr-rijke silicidefasen. Belangrijker nog was dat ze ontdekten dat de ablatieprestaties ook werden beïnvloed door deze vastestofreactie.
In het bijzonder vond deze reactie in de vaste toestand plaats in het grensvlakgebied tussen matrix en oxideschaal. Tijdens dit proces diffundeerden metaalkationen tussen de fasen met meerdere componenten, wat resulteerde in een evolutie van de samenstelling.
"De evolutie van de samenstelling zorgde ervoor dat de onderliggende fasen van meerdere componenten stabiel bleven, zelfs onder een hogere partiële zuurstofdruk, wat leidde tot de verbetering van de thermodynamische stabiliteit van driefasige keramiek met meerdere componenten", legt Xiong uit.
"Bovendien leek dit reactieproces in vaste toestand synergetisch met het preferentiële oxidatiegedrag op de oxideschaal bij het verbeteren van de ablatieprestaties binnen een specifiek temperatuurbereik."
"De huidige bevindingen hebben aangetoond dat het meerfasenontwerp ervoor zorgt dat het uit meerdere componenten bestaande keramiek nog betere ablatieprestaties kan bereiken. De verkregen resultaten kunnen ook een voorlopige basis bieden voor de toekomstige ontwikkeling van uit meerdere componenten bestaande UHTC's", voegt Zeng toe.