Forskare vid Wright-Patterson Air Force Base försöker patentera en ny process för att tillverka en typ av material som kallas prekeramiska polymerympade nanopartiklar, eller "håriga nanopartiklar" (HNP).

En HNP är ett hybridmaterial som består av ett polymerskal bundet till en fast nanopartikelkärna. Polymeren - en kedja av upprepade molekyler - bildar "håret" runt nanopartikeln, vilket är ungefär lika stort som ett litet virus.

Även om HNP har funnits i många år, Det som skiljer denna är typen av polymer som är fäst vid kärnpartikeln. Det är en förkeramisk polymer, en speciell klass av polymer som används vid bildning av högpresterande keramiska fibrer och kompositer.

"Den speciella polymer som används i vår process är det som skiljer vårt arbete åt, " sa projektledaren Dr Matthew Dickerson. "Forskare har gjort den här sortens håriga nanopartiklar tidigare, men de har använt organiska polymerer som polystyren. Vår polymer är annorlunda; det är oorganiskt eftersom det innehåller kisel. Det är lite som silikoner (caulk), som har en ryggrad av kisel och syreupprepningar, men vår har en ryggrad av kisel och kolupprepningar."

Denna kisel- och kolkemi gör att polymeren kan omvandlas till en kiselkarbidkeramik när den värms upp till höga temperaturer.

HNP:erna som är resultatet av denna speciella process kommer att användas vid tillverkning av flygplansdelar gjorda av keramiskt kompositmaterial. "Keramiska kompositer används för högtemperaturapplikationer från det amerikanska flygvapnet som drar nytta av material som har lägre densitet än metaller, inklusive jetmotorer och hypersoniska fordonskomponenter, " sa Dickerson. "HNP:erna vi syntetiserade är tänkta för den typen av applikationer."

Detta speciella hybridmaterial, dock, görs inte genom att bara blanda polymeren och nanopartiklarna tillsammans och hoppas på det bästa. "En enkel blandning skulle resultera i något som ett spackel eller en spröd blandning, sa Dickerson, "men hybridmaterialet vi slutar med flyter mer som melass så det kommer lättare att flyta in i en porös keramik."

Under tillverkningen av en keramisk matriskomposit, Materialen som används för att binda samman de keramiska fibrerna krymper avsevärt. Denna krympning resulterar i sprickor och tomrum som måste fyllas igen, eller infiltrerat. Ett av de viktigaste kraven på hybridmaterialet som är tillverkat av HNP är att det måste flyta lätt så att det kan infiltrera dessa tomrum.

Med nuvarande state-of-the-art processer, keramiken måste genomgå flera cykler (sex till tio) av infiltration för att uppnå den önskade densiteten. Den nya process som beskrivs i patentansökan, samt i en tidning som nyligen publicerats i Materialkemi , ger ett material som potentiellt skulle kunna minska antalet infiltrationscykler med ungefär hälften, vilket resulterar i en mer kostnadseffektiv, snabbare att producera komponent.

Även med de överlägsna högtemperaturegenskaperna hos keramiska kompositer jämfört med konventionella metallkomponenter, Att sänka kostnaderna är nyckeln för att möjliggöra deras utbredda användning i krävande flygvapentillämpningar.

Projektet finansierades av Air Force Office of Scientific Research. "Denna forskning är ett stort tekniskt framsteg i syntesen av keramiska nanokompositer, sa Dr Ming-Jen Pan, Programansvarig på AFOSR. "Det ger oöverträffad kontroll över nanostrukturen hos hybridmaterial. Jag är exalterad över möjligheterna som denna upptäckt ger till design och bearbetning av framtida kompositmaterial."

Ytterligare finansiering erhölls för att titta på hur materialens kemi dikterar deras egenskaper.

"Det här var ett svårt projekt att göra. Det tog nästan tre år att få det rätt, " sa Dickerson. "Det var en riktig seger för Kara, " han lade till, hänvisar till forskaren Dr. Kara L. Martin. "Att utveckla det kemiska syntesförfarandet för att göra dessa partiklar är mycket svårt. Hennes nya idéer och envishet gjorde det möjligt för henne att se projektet till framgång."