Keramiska textilier, förbättrade jetmotorblad, 3D-tryckt keramik och bättre batterier kan snart bli verklighet, tack vare en nyligen patenterad polymer från en ingenjör från Kansas State University.

Använd fem ingredienser - kisel, bor, kol, kväve och väte—Gurpreet Singh, Harold O. och Jane C. Massey Neff docent i maskin- och kärnteknik, har skapat en flytande polymer som kan förvandlas till en keramik med värdefull termisk, optiska och elektroniska egenskaper. Den vattenliknande polymeren, som blir en keramik när den värms upp, kan även masstillverkas.

"Denna polymer är ett användbart material som verkligen fungerar, ", sa Singh. "Av allt material som vi har undersökt under de senaste fem åren, detta material är det mest lovande. Nu kan vi tänka oss att använda keramik där du aldrig ens kunde föreställa dig."

Singh är den ledande uppfinnaren av patentet, "Bor-modifierade silazaner för syntes av SiBNC-keramik." Romil Bhandavat, 2013 doktorsexamen i maskinteknik, är en meduppfinnare.

Ingenjörerna utvecklade den klara polymeren som ser ut som vatten och har samma densitet och viskositet som vatten, till skillnad från vissa andra kisel- och borinnehållande polymerer.

"Vi har skapat en vätska som förblir en vätska vid rumstemperatur och som har längre hållbarhet än andra SiBNC-polymerer, " sa Singh. "Men när du värmer vår polymer, det genomgår en flytande till fast övergång. Denna genomskinliga flytande polymer kan förvandlas till en mycket svart, glasliknande keramik."

Keramik är värdefullt eftersom det tål extrema temperaturer och används för en mängd olika material, inklusive tändstift, jetmotorer, högtemperaturugnar eller till och med material för rymdutforskning.

Som en prekeramisk polymer, Singh sa att det flytande materialet har flera viktiga egenskaper.

• Polymeren har låg densitet och kan skapa lätt keramik istället för den vanliga tunga keramik.
• Polymeren är skalbar och kan masstillverkas i gram eller kilogram.
• Keramiken som härrör från denna polymer kan överleva extrema temperaturer så höga som cirka 1, 700 grader Celsius. Ändå har keramiken en masstäthet som är tre till sex gånger lägre än den för annan ultrahögtemperaturkeramik, såsom zirkoniumborid och hafniumkarbid.
• Polymeren kan göra keramiska fibrer. Om polymeren värms upp till cirka 50 till 100 grader Celsius, det blir en gel som liknar sirap eller honung. Under detta geltillstånd, polymeren kan dras in i strängar eller fibrer för att skapa keramiska textilier eller keramiska nät.
• Den flytande polymeren har bearbetningsflexibilitet. Det kan hällas i formar och värmas för att exakt göra komplexa keramiska former.
• Eftersom polymeren är en vätska, den är sprutbar eller kan användas som färg för att göra keramiska beläggningar. Keramiken kan skydda material under eller kan skapa effektivare maskiner som fungerar i högtemperaturmiljöer, såsom ångturbiner eller jetmotorblad. Polymeren kan också användas för 3-D-utskrift av keramiska delar med användning av en SLA-skrivare för bänkskivor.
• När de kombineras med kolnanorör, polymeren har ännu fler tillämpningar. Det kan skapa ett svart material som kan absorbera allt ljus – även ultraviolett och infrarött ljus – utan att skadas. Det kombinerade nanomaterialet tål extrem värme på 15, 000 watt per kvadratcentimeter, vilket är ungefär 10 gånger mer värme än ett raketmunstycke.
• Polymeren skulle kunna användas för att producera keramik med avstämbar elektrisk ledningsförmåga som sträcker sig från isolator eller halvledare.
• Närvaron av kisel och grafenliknande kol i keramen kan förbättra elektroderna för litiumjonbatterier.
• Keramiken som härrör från denna polymer har en slumpmässig struktur som vanligtvis inte observeras i traditionell keramik. Kislet i keramen binder till kväve och kol men inte bor; bor binder till kväve men inte kol; och kolbinder till ett annat kol för att bilda grafenliknande strängar. Denna unika struktur ger stabilitet vid hög temperatur genom att fördröja reaktionen med syre.

"Ofta, forskare har bara tittat på egenskaper vid hög temperatur, ", sa Singh. "Vi är bland de få som tittade på andra fastigheter - som elektroniska, elektrokemiska, termiska och optiska egenskaper - och exponerade dessa egenskaper i detta material."

Singhs forskning har fått stöd av National Institute of Standards and Technologys radiometriteam och National Science Foundation. Han fortsätter att forska om polymerens möjligheter att tillverka keramiska fibrer och till och med batterielektroder.

Patentet utfärdades till Kansas State University Research Foundation, ett ideellt företag som ansvarar för att hantera tekniköverföringsaktiviteter vid universitetet.