De luchtmacht test materialen die zijn geproduceerd door middel van keramische additieve fabricage om hun potentieel toekomstig gebruik in hypersonische vluchtvoertuigen te bevorderen.

Wetenschappers van het Directoraat Lucht- en Ruimtevaartsystemen van het Air Force Research Laboratory zijn onlangs een overeenkomst voor coöperatief onderzoek en ontwikkeling - materiaaloverdracht aangegaan met HRL Laboratories om additief vervaardigde siliciumoxycarbide (SiOC) materialen te testen. De geometrische complexiteit van componenten die kunnen worden geproduceerd door middel van additieve fabricage in combinatie met de vuurvaste aard van keramiek biedt een enorm potentieel voor een verscheidenheid aan toekomstige luchtmachttoepassingen. Een dergelijke mogelijke toepassing is hypersonische vlucht, die materialen blootstelt aan extreme omgevingen, waaronder hoge temperaturen.

Het potentieel van de HRL-geproduceerde materialen voor veeleisende luchtmachttoepassingen werd duidelijk terwijl wetenschappers van het directoraat Lucht- en Ruimtevaartsystemen op zoek waren naar nieuwe thermokoppel-stralingsschermen. De SiOC-materialen werden geproduceerd via een additief productieproces met behulp van een pre-keramische hars. Na de fabricage van onderdelen, de pre-keramische hars werd met warmte behandeld om de component om te zetten in een volledig keramische staat. AFRL-wetenschappers raakten geïnteresseerd in het nieuwe proces van HRL, gebruikmakend van de modernste 3D-printmogelijkheden en pre-keramische harschemie, evenals de mogelijke prestaties van de uiteindelijke SiOC-materialen bij hoge temperaturen.

"Als een materiaal bestand is tegen die temperaturen - ongeveer 3, 200 graden Fahrenheit - het kan worden gebruikt voor hypersonische vliegtuigmotorcomponenten zoals stutten of vlamhouders, " zei Jamie Szmodis, een hypersonische onderzoeksingenieur bij het Directoraat Lucht- en Ruimtevaartsystemen.

Hypersonische vlucht is een boeiend studiegebied voor de Amerikaanse en internationale lucht- en ruimtevaartindustrie. Huidige vliegtuigen vliegen met supersonische snelheden, meer dan 768 mijl per uur, of MACH 1. Indien bereikt, hypersonische strijd, dat zijn snelheden van meer dan Mach 5, zou zorgen voor veel snellere militaire reactietijden, meer geavanceerde wapens en drastisch kortere reistijden voor de militaire en commerciële sectoren met snelheden van meer dan 4, 000 mijl per uur.

De CRADA-MTA, een soort overeenkomst voor technologieoverdracht die de overdracht van materialen voor testen mogelijk maakt, speelde een belangrijke rol bij het faciliteren van een werkrelatie tussen AFRL en HRL om het materiaal te testen.

"Zonder de overeenkomst voor materiaaloverdracht, we zouden de monsters hebben gekocht om ze te testen. Wij zouden klant zijn geweest, in tegenstelling tot een medewerker, " zei Szmodis. "Met de overeenkomst kunnen we testresultaten aan HRL leveren en feedback geven die waardevol is voor beide partijen."

Op grond van de overeenkomst ontving de directie 5 thermokoppel-stralingsschermen en 15 monstercilinders vervaardigd uit de SiOC-hars. Om de testen uit te voeren, Szmodis richtte een klein team van wetenschappers op van meerdere directoraten en specialismen. Wetenschappers van het AFRL Materials and Manufacturing Directorate, Divisie structurele materialen, Samengestelde tak, geleid door Dr. Matthew Dickerson, uitgevoerde materiaalanalyse en warmtebehandelingen. Het directoraat Lucht- en Ruimtevaartsystemen, Afdeling Lucht- en Ruimtevaartvoertuigen, Structurele validatie Branchewetenschappers, onder leiding van Bryan Eubanks, uitgevoerde mechanische analyse gericht op thermische uitzettingsanalyse bij temperaturen variërend van 500 - 3, 500 graden Fahrenheit. Aanvullend, wetenschappers van de Propulsion Research Facility van het Arnold Engineering Development Complex analyseerden de eigenschappen van het materiaal in een testfaciliteit met hoge enthalpie-instrumenten.

In maart is een eindrapportage van de resultaten opgeleverd en aan HRL geleverd. Tijdens hun gezamenlijke studie, AFRL en HRL duwden de additief vervaardigde componenten ver buiten hun ontwerpbereik. De gegevens die uit deze extreme tests naar voren kwamen, leverden de partners waardevolle informatie op die momenteel wordt gebruikt om de productie van additief vervaardigde keramiek van de volgende generatie te begeleiden. Deze aanbevelingen en verdere vooruitgang door HRL hebben het potentieel om materialen te produceren die aan de hypersonische vereisten kunnen voldoen.

"De extreme temperatuurtests die AFRL uitvoerde, onthulden de grenzen van ons nieuwe materiaal en daagden ons uit om het te verbeteren, " zei Dr. Tobias Schaedler, een senior wetenschapper van HRL.