Onderzoekers hebben een nieuwe methode gedemonstreerd voor het testen van microscopische luchtvaartmaterialen bij ultrahoge temperaturen. Door elektronenmicroscopie en laserverwarming te combineren, wetenschappers kunnen deze materialen veel sneller en goedkoper evalueren dan met traditionele testen.

De bevindingen van de nieuwe studie, onder leiding van Shen Dillon, een professor in materiaalkunde en techniek aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, en medewerkers van Sandia Laboratories, worden gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters .

Een decennium geleden, vooruitgang in luchtvaartmaterialen omvatte het testen van grote, dure modellen en jaren van ontwikkeling. Wetenschappers en ingenieurs gebruiken nu experimenten op microschaal om nieuwe materialen te helpen creëren en de chemische en fysische eigenschappen te begrijpen die tot materiaalfalen leiden.

"Mechanische tests op microschaal bieden mogelijkheden om de materialen op te splitsen in hun componenten en defecten op atomair niveau te zien, ' zei Dillon.

Tot nu, onderzoekers zijn niet in staat geweest om succesvolle materiaaltests op microschaal uit te voeren bij de extreme temperaturen die kritische componenten tijdens de vlucht ervaren.

"Helaas, het is echt moeilijk om experimenten uit te voeren met nieuwe materialen of combinaties van bestaande materialen bij ultrahoge temperaturen boven de 1, 000 C omdat je het probleem tegenkomt van het vernietigen van de testmechanismen zelf, ' zei Dillon.

Deze temperatuurbarrière heeft de ontwikkeling van nieuwe materialen voor commerciële toepassingen zoals raketten en voertuigen vertraagd, die testen vereisen bij temperaturen ver boven de huidige onderzoekslimiet van "een paar honderd graden Celsius, " zei hij. "De methode die we in het document demonstreren, zal de tijd en kosten die nodig zijn om deze tests mogelijk te maken aanzienlijk verminderen."

Hun ultrahoge temperatuurtest combineerde twee veelgebruikte gereedschappen op een unieke manier. Met behulp van een transmissie-elektronenmicroscoop en gerichte laserverwarming, ze waren in staat om te zien en te controleren waar en hoe het materiaal bij de hoogst mogelijke temperatuur vervormde voordat het monster verdampte.

"We waren in staat om de laser zo precies samen te brengen met de mechanische tester met de TEM dat we het monster konden verwarmen zonder de mechanische tester te oververhitten, " zei Dillon. "Onze test stelt je in staat om een ​​dunne film van het materiaal te laten groeien zonder speciale bewerking en het vervolgens in de microscoop te plaatsen om een ​​aantal verschillende mechanische eigenschappen te testen."

Als proof-of-concept, de studie testte zirkoniumdioxide - gebruikt in brandstofcellen en thermische barrièrecoatings - bij temperaturen tot 2, 050 C, "een temperatuur ver boven alles wat je voorheen kon doen, ' zei Dillon.

Dillon zegt dat het artikel ertoe zal leiden dat "in de toekomst meer mensen deze techniek gebruiken voor tests bij hoge temperaturen, omdat ze veel gemakkelijker te doen zijn en de technische interesse zeker aanwezig is."

Dillon is ook verbonden aan het Materials Research Lab in Illinois. De National Science Foundation en Army Research Office ondersteunden deze studie.