Forskare tillkännager genombrott i värmesköld för hypersonik

Morfologi och statistik för de tillverkade 9PHEB-proverna efter syrakorrosion. (a) SEM-bild av proverna med en porositet på ~50%. (b) Statistik över kornstorlekarna. Den genomsnittliga kornstorleken beräknas vara 1,07±0,31 μm. Kredit: Avancerade material (2024). DOI: 10.1002/adma.202311870
Morfologi och statistik för de tillverkade 9PHEB-proverna efter syrakorrosion. (a) SEM-bild av proverna med en porositet på ~50%. (b) Statistik över kornstorlekarna. Den genomsnittliga kornstorleken beräknas vara 1,07±0,31 μm. Kredit: Avancerade material (2024). DOI: 10.1002/adma.202311870

I ett jättekliv för framtida hypersoniska flygningar har kinesiska forskare använt sig av flerskalig teknik för att utveckla ett revolutionerande nytt material som har fått rekordhöga betyg i tester av vital styrka och värmeisolerande egenskaper.

Forskarna säger att deras porösa keramiska skapelse öppnar dörren för bredare utforskning inom områdena flyg- och rymdteknik, kemiteknik samt energiöverföring och energiproduktion.

”För första gången rapporteras en flerskalig strukturdesign och snabb tillverkning av … keramik med högentropi via en ultrasnabb syntesteknik vid hög temperatur som kan leda till exceptionell mekanisk bärförmåga och hög värmeisoleringsprestanda”, säger forskarna i ett dokument som publicerades den 2 januari i tidskriften Advanced Materials.

Forskare har länge stått inför utmaningen att utveckla starka, lätta material med låg värmeledningsförmåga som är kritiska, särskilt för hypersoniska resor. Keramiska material är lovande eftersom de har låg värmeledningsförmåga, höga smältpunkter och korrosionsbeständighet, och de är dessutom icke brännbara.

Men utforskningsprojekt på stora djup under jordytan och i yttre rymden möter extremt höga temperaturer och tryck. Traditionella keramiska material är otillräckliga i dessa fall.

Lätta, porösa material ger låg värmeöverföring, men den önskvärda egenskapen kommer ofta med en motprestation – större bräcklighet.

I rapporten ”Ultrastrong and High Thermal Insulating Porous High-Entropy Ceramics up to 2000 °C” konstaterar forskare vid Guangzhou University School of Materials Science and Engineering: ”Det är absolut nödvändigt att hitta sätt att samtidigt förbättra den mekaniska styrkan och värmeisoleringsförmågan hos porös keramik.”

Därför vände de sig till konceptet high-entropy design för att ta fram ett poröst keramiskt material som uppnådde en bra balans mellan styrka och värmebeständighet utan de vanliga nackdelarna.

High-entropy design fokuserar på användningen av lika stora mängder av flera element som kan användas för att skapa starkare, mer värmetåliga och mer stabila komponenter.

Forskarna utvecklade ett material som uppfyllde de krävande isolerings- och viktkriterierna för rymdflyg. Deras nya keramiska skapelse, som går under det anspråkslösa namnet 9PHEB-9-cation porous high-entropy diboride, ger ”exceptionell termisk stabilitet” och ”ultrahög tryckhållfasthet”, säger forskarna.

”Högkvalitativa gränssnitt, som kännetecknas av stark bindning utan defekter eller amorfa faser, kan främja snabb kraftöverföring längs byggstenen och till många andra genom anslutningar vid belastning, vilket leder till en betydande förbättring av mekanisk styrka”, heter det i rapporten.

Missöden inom flygindustrin till följd av värme och stress har skapat rubriker genom åren.

Challenger-tragedin 1986 berodde på O-ringar av gummi som bildade en tätning mellan raketernas boosters. De förlorade sin smidighet i svala temperaturer och fick endast användas i temperaturer över 53 grader. Challenger sköts dock upp när temperaturen sjönk till 36 grader. O-ringarna förlorade sin elasticitet, gick sönder och explosiva gaser läckte ut och ledde till den katastrofala explosionen som dödade alla sju astronauterna.

En andra rymdfärjekatastrof inträffade 17 år senare när skumisolering bröts loss från rymdfärjan Columbias externa tank och träffade värmeskyddsplattor vilket ledde till en kompromiss på den inre vingvärmeskölden, vilket resulterade i att rymdfärjan gick sönder och alla sju astronauter ombord dog.

Forskarna säger att deras nya material är lovande för framsteg inom rymdforskning.

”De utmärkta mekaniska och värmeisolerande egenskaperna [hos 9PHEB] erbjuder ett attraktivt material för tillförlitlig värmeisolering under extrema förhållanden”, förklarar de.

Ytterligare information: Zihao Wen et al, Ultrastrong and High Thermal Insulating Porous High‐Entropy Ceramics up to 2000 °C, Advanced Materials (2024). DOI: 10.1002/adma.202311870

Bli först med att kommentera

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte att publiceras.