Onderzoekers van de Wright-Patterson Air Force Base proberen een nieuw proces te patenteren voor het vervaardigen van een soort materiaal genaamd prekeramische polymeer-geënte nanodeeltjes, of "harige nanodeeltjes" (HNP).

Een HNP is een hybride materiaal dat bestaat uit een polymeerschil gebonden aan een vaste nanodeeltjeskern. Het polymeer - een keten van zich herhalende moleculen - vormt het "haar" rond het nanodeeltje, wat ongeveer zo groot is als een klein virus.

Hoewel HNP's al vele jaren bestaan, wat deze anders maakt, is het type polymeer dat aan het kerndeeltje wordt bevestigd. Het is een prekeramisch polymeer, een speciale klasse polymeer die wordt gebruikt bij de vorming van hoogwaardige keramische vezels en composieten.

"Het speciale polymeer dat in ons proces wordt gebruikt, is wat ons werk onderscheidt, "Zei projectleider Dr. Matthew Dickerson. "Onderzoekers hebben in het verleden dit soort harige nanodeeltjes gemaakt, maar ze hebben organische polymeren zoals polystyreen gebruikt. Ons polymeer is anders; het is anorganisch omdat het silicium bevat. Het is een beetje zoals siliconen (kitten), die een ruggengraat hebben van silicium- en zuurstofherhalingen, maar de onze heeft een ruggengraat van silicium- en koolstofherhalingen."

Door deze silicium- en koolstofchemie kan het polymeer bij verhitting tot hoge temperaturen worden omgezet in een siliciumcarbidekeramiek.

De HNP's die uit dit speciale proces voortkomen, worden gebruikt bij de vervaardiging van vliegtuigonderdelen van keramisch composietmateriaal. "Keramische composieten worden gebruikt voor toepassingen van de Amerikaanse luchtmacht bij hoge temperaturen die profiteren van materialen met een lagere dichtheid dan metalen, inclusief straalmotor en hypersonische voertuigcomponenten, " zei Dickerson. "De HNP's die we hebben gesynthetiseerd zijn bedoeld voor dat soort toepassingen."

Dit speciale hybride materiaal, echter, wordt niet gemaakt door simpelweg het polymeer en de nanodeeltjes met elkaar te mengen en er het beste van te hopen. "Een eenvoudig mengsel zou resulteren in zoiets als een stopverf of een bros mengsel, " zei Dickerson, "maar het hybride materiaal waarmee we eindigen, vloeit meer als melasse, zodat het gemakkelijker in een poreus keramiek zal vloeien."

Tijdens de productie van een keramische matrixcomposiet, de materialen die worden gebruikt om de keramische vezels aan elkaar te binden, krimpen aanzienlijk. Dit krimpen resulteert in scheuren en holtes die moeten worden opgevuld, of geïnfiltreerd. Een van de belangrijkste vereisten van het hybride materiaal dat van de HNP's wordt gemaakt, is dat het gemakkelijk moet stromen, zodat het in die holtes kan infiltreren.

Met de huidige state-of-the-art processen, het keramiek moet verschillende cycli (zes tot tien) van infiltratie ondergaan om de gewenste dichtheid te bereiken. Het nieuwe proces beschreven in de octrooiaanvraag, evenals in een paper onlangs gepubliceerd in Chemie van materialen , levert een materiaal op dat het aantal infiltratiecycli met ongeveer de helft zou kunnen verminderen, wat resulteert in een meer kosteneffectieve, sneller te produceren onderdeel.

Zelfs met de superieure eigenschappen bij hoge temperaturen van keramische composieten ten opzichte van conventionele metalen componenten, het verlagen van hun kosten is de sleutel tot hun wijdverbreide gebruik in veeleisende luchtmachttoepassingen.

Het project werd gefinancierd door het Air Force Office of Scientific Research. "Dit onderzoek is een belangrijke technologische vooruitgang in de synthese van keramische nanocomposieten, zei Dr. Ming-Jen Pan, Programmamedewerker bij AFOSR. "Het biedt ongekende controle over de nanostructuur van hybride materialen. Ik ben enthousiast over de mogelijkheden die deze ontdekking biedt voor het ontwerp en de verwerking van toekomstige composietmaterialen."

Er is aanvullende financiering ontvangen om te kijken hoe de chemie van de materialen hun eigenschappen dicteert.

"Dit was een moeilijk project om te doen. Het duurde bijna drie jaar om het goed te krijgen, "zei Dickerson. "Het was een echte overwinning voor Kara, " hij voegde toe, verwijzend naar onderzoekswetenschapper Dr. Kara L. Martin. "Het ontwikkelen van de chemische syntheseprocedure om deze deeltjes te maken is erg moeilijk. Haar frisse ideeën en vasthoudendheid stelden haar in staat om het project tot een succes te maken."