Om bestand te zijn tegen de hitte en druk van de volgende generatie raketmotoren, de composietvezels die worden gebruikt om ze te maken, moeten wazig zijn.

Het Rice University-laboratorium van materiaalwetenschapper Pulickel Ajayan, in samenwerking met NASA, heeft "fuzzy vezels" van siliciumcarbide ontwikkeld die werken als klittenband en bestand zijn tegen de straf die materialen ondergaan in ruimtevaarttoepassingen.

De vezels versterken composieten die worden gebruikt in geavanceerde raketmotoren die temperaturen tot 1 moeten weerstaan. 600 graden Celsius (2, 912 graden Fahrenheit). Keramische composieten in raketten die nu worden ontwikkeld, gebruiken siliciumcarbidevezels om het materiaal te versterken, maar ze kunnen barsten of broos worden bij blootstelling aan zuurstof.

Het Rice-lab heeft siliciumcarbide nanobuisjes en nanodraden ingebed in het oppervlak van NASA's vezels. De blootgestelde delen van de vezels zijn gekruld en werken als de haken en lussen die klittenband zo waardevol maken - maar op nanoschaal.

Het resultaat, volgens hoofdonderzoekers Amelia Hart, een afgestudeerde Rice-student, en Chandra Sekhar Tiwary, een postdoctoraal medewerker van Rice, creëert zeer sterke in elkaar grijpende verbindingen waar de vezels in de knoop raken; dit maakt het composiet niet alleen minder vatbaar voor scheuren, maar sluit het ook af om te voorkomen dat zuurstof de chemische samenstelling van de vezel verandert.

Het werk wordt gedetailleerd beschreven in het tijdschrift American Chemical Society Toegepaste materialen en interfaces .

Het werk begon toen Hart, die de groei van koolstofnanobuisjes op keramische wol had bestudeerd, ontmoette Michael Meador, toen een wetenschapper bij NASA's Glenn Research Center, Cleveland, bij de kickoff receptie voor Rice's Materials Science and Nano Engineering Department. (Meador is nu projectmanager nanotechnologie bij NASA's Game Changing Technologies-programma.)

Dat leidde tot een fellowship in Cleveland en de kans om haar ideeën te combineren met die van NASA-onderzoeksingenieur en co-auteur Janet Hurst. "Ze was gedeeltelijk siliciumcarbide aan het omzetten van koolstofnanobuisjes, " zei Hart. "We gebruikten haar formulering en mijn vermogen om nanobuisjes te laten groeien en bedachten hoe we de nieuwe composiet konden maken."

Terug bij Rijst, Hart en haar collega's lieten hun haken en lussen groeien door eerst siliciumcarbidevezels in een ijzerkatalysator te baden en vervolgens waterondersteunde chemische dampafzetting te gebruiken. een proces dat deels bij Rice is ontwikkeld, om een ​​tapijt van koolstofnanobuisjes rechtstreeks in het oppervlak in te bedden. Deze worden de sjabloon voor het eindproduct. De vezels werden vervolgens op hoge temperatuur verwarmd in silicium nanopoeder, die de koolstofnanobuisjes omzet in siliciumcarbide "fuzz".

De onderzoekers hopen dat hun pluizige vezels de sterke, lichte en hittebestendige siliciumcarbidevezels die, wanneer ze in keramische composieten worden geplaatst, worden getest op robuuste straalbuizen en andere onderdelen in raketmotoren. "De siliciumcarbidevezel die ze al gebruiken, is stabiel tot 1, 600 C, "Zei Tiwary. "Dus we zijn ervan overtuigd dat het bevestigen van siliciumcarbide nanobuizen en draden om kracht toe te voegen, het nog geavanceerder zal maken."

De nieuwe materialen moeten ook hele turbomotoren aanzienlijk lichter maken, zei Hart. "Voordat ze siliciumcarbidecomposieten gebruikten, veel motoronderdelen waren gemaakt van nikkel-superlegeringen die een koelsysteem moesten bevatten, wat het geheel extra zwaar maakte, "zei ze. "Door over te schakelen op keramische matrixcomposieten, ze zouden het koelsysteem kunnen uitschakelen en naar hogere temperaturen kunnen gaan. Met ons materiaal kunnen grotere, duurzamere turbostraalmotoren die naar hogere temperaturen gaan dan ooit tevoren."

Wrijvings- en compressietesten toonden aan dat de zijdelingse kracht die nodig is om siliciumcarbide nanobuisjes en draden over elkaar te bewegen veel groter was dan die nodig was om langs gewone nanobuisjes of niet-versterkte vezels te glijden. meldden de onderzoekers. Ze waren ook in staat om gemakkelijk terug te stuiteren van hoge compressie toegepast met een nano-indenter, waaruit bleek dat ze langer weerstand konden bieden aan afbraak.

Tests om te zien hoe goed de vezels met warmte omgingen, toonden aan dat gewone koolstofnanobuisjes wegbrandden van de vezels, maar de siliciumcarbide nanobuisjes waren gemakkelijk bestand tegen temperaturen tot 1, 000 C.

Hart zei dat de volgende stap zal zijn om haar conversietechnieken toe te passen op andere koolstofnanomaterialen om unieke driedimensionale materialen te creëren voor aanvullende toepassingen.