Лаборатория материаловеда Университета Райса Пуликеля Аджаяна в сотрудничестве с НАСА разработала «нечеткие волокна» из карбида кремния, которые действуют как липучки и выдерживают наказание, которое материалы испытывают в аэрокосмической сфере.Волокна укрепляют композиты, используемые в современных ракетных двигателях, которые должны выдерживать температуры до 1600 градусов по Цельсию (2912 градусов по Фаренгейту).
Керамические композиты в ракетах, которые сейчас разрабатываются, используют волокна карбида кремния для упрочнения материала, но они могут трескаться или становиться хрупкими при воздействии кислорода.Лаборатория Райса внедрила нанотрубки и нанопроволоки из карбида кремния в поверхность волокон НАСА.
Открытые части волокон изогнуты и действуют как крючки и петли, которые делают липучку такой ценной, но в наномасштабе.В результате, по словам ведущих исследователей Амелии Харт, аспирантки Райс, и Чандры Секхар Тивари, научного сотрудника Райс, создаются очень прочные взаимосвязанные связи, в которых спутываются волокна; это не только делает композит менее склонным к растрескиванию, но и изолирует его, предотвращая изменение химического состава волокна кислородом.
Работа подробно описана в журнале Американского химического общества Applied Materials and Interfaces.Работа началась, когда Харт, который изучал рост углеродных нанотрубок на керамической вате, встретил Майкла Мидора, в то время ученого из Исследовательского центра Гленна НАСА в Кливленде, на стартовом приеме в отделе материаловедения и наноинжиниринга Райса. (Мидор сейчас является менеджером проекта по нанотехнологиям в программе NASA Game Changing Technologies.)Это привело к стипендии в Кливленде и возможности объединить ее идеи с идеями инженера-исследователя НАСА и соавтора статьи Джанет Херст. «Она частично преобразовывала карбид кремния из углеродных нанотрубок», — сказал Харт. «Мы использовали ее рецептуру и мою способность выращивать нанотрубки и выяснили, как сделать новый композит».Вернувшись в Райс, Харт и ее коллеги вырастили свои крючки и петли, сначала погрузив волокно из карбида кремния в железный катализатор, а затем используя химическое осаждение из паровой фазы с помощью воды, процесс, частично разработанный в Райсе, чтобы встроить ковер из углеродных нанотрубок непосредственно в поверхность.
Они становятся шаблоном для конечного продукта. Затем волокна нагревали в кремниевом нанопорошке при высокой температуре, в результате чего углеродные нанотрубки превращались в «пух» карбида кремния.Исследователи надеются, что их пушистые волокна улучшат прочность, легкость и термостойкость карбидокремниевых волокон, которые при установке в керамические композиты проходят испытания на прочность сопел и других деталей ракетных двигателей. «Волокно из карбида кремния, которое они уже используют, стабильно до 1600 ° C», — сказал Тивари. «Таким образом, мы уверены, что прикрепление нанотрубок и проволоки из карбида кремния для увеличения прочности сделает его еще более современным».
По словам Харта, новые материалы также должны значительно облегчить целые турбодвигатели. «До того, как стали использовать композиты из карбида кремния, многие детали двигателей были сделаны из суперсплавов никеля, которые должны были иметь систему охлаждения, которая добавляла веса всему устройству», — сказала она. «Перейдя на композиты с керамической матрицей, они могут убрать систему охлаждения и перейти к более высоким температурам. Наш материал позволит создавать более крупные и долговечные турбореактивные двигатели, которые работают до более высоких температур, чем когда-либо прежде».Испытания на трение и сжатие показали, что поперечная сила, необходимая для перемещения нанотрубок и проволок из карбида кремния друг относительно друга, была намного больше, чем сила, необходимая для скольжения мимо простых нанотрубок или неупрочненных волокон, сообщили исследователи. Они также смогли легко оправиться от сильного сжатия, примененного с помощью наноиндентора, что продемонстрировало их способность сопротивляться разрушению в течение более длительного периода времени.
Тесты, чтобы увидеть, насколько хорошо волокна переносят тепло, показали, что простые углеродные нанотрубки выгорают от волокон, но нанотрубки из карбида кремния легко выдерживают температуры до 1000 ° C.Харт сказала, что следующим шагом будет применение ее методов преобразования к другим углеродным наноматериалам для создания уникальных трехмерных материалов для дополнительных приложений.