Post-pandemiska semesterresor var bland de största berättelserna under sommaren 2021, väcka frågor om flygresornas bidrag till utsläpp av växthusgaser och klimatförändringar. Enligt Environmental and Energy Study Institute, 710 miljoner ton global koldioxid kom från kommersiellt flyg 2013. År 2017 den siffran nådde 860 miljoner ton, en ökning med 21 % på fyra år. Senast 2018, den klättrade till 905 miljoner ton, 2,4 % av total CO ₂ utsläpp.

Flygplanstillverkare och deras kunder inom myndigheter och industri har investerat i designen av nya flygplansmotorer som fungerar vid extremt höga temperaturer, vilket innebär att motorerna kan generera mer energi samtidigt som de förbränner mindre bränsle. Dock, de mycket höga temperaturerna kan vara ett problem för de material som används för att tillverka motorn.

Haydn Wadley, Edgar Starke professor i materialvetenskap och teknik vid University of Virginia School of Engineering and Applied Science, och Jeroen Deijkers, en postdoktoral forskarassistent i Wadleys grupp, hittat ett sätt att avsevärt förlänga livslängden på materialen som används i dessa jetmotorer. Deras papper, "En metod för duplexbondbeläggning för miljöbarriärbeläggningssystem, " publiceras i septembernumret 2021 av Acta Materialia.

"En jetmotor slukar enorma mängder luft, som, när den komprimeras och blandas med kolvätebränsle och bränns i en brännare, driver planets framdrivningssystem. Ju varmare brännaren är, desto effektivare motor, sa Wadley.

Förbränning i flygplansmotorer når eller överstiger nu 1500 grader Celsius, långt över smälttemperaturerna för motordelar som vanligtvis är gjorda av nickel och koboltlegeringar. Forskning har vänt sig till keramik som tål dessa temperaturer, men de måste kämpa med kemiska reaktioner från vattenångan och oförbränt syre i den extrema förbränningsmiljön.

Kiselkarbid är den keramiska valet. Dock, motordelar gjorda av kiselkarbid skulle bara hålla några tusen timmars flygtid. Vid så höga temperaturer, kolelementet reagerar med syre för att bilda kolmonoxid (en gas), medan kislet bildar kiseldioxid (en fast substans), men kiseldioxid reagerar med vattenånga och bildar en gasformig kiselhydroxid. Med andra ord, motordelen förvandlas gradvis till gas och försvinner ut genom avgasröret.

För att skydda de keramiska delarna, motortillverkare applicerar en tvåskiktsbeläggning, kallas ett miljöbarriärbeläggningssystem, till kiselkarbiden. Det yttre lagret är utformat för att bromsa spridningen av syre och vattenånga mot kiselkarbiden under flygning, medan en inre bindningsbeläggning gjord av kisel skyddar kiselkarbidens yta genom att reagera med syret för att bilda ett tunt lager av kiseldioxid. Men det finns fortfarande utmaningar med denna design.

"Motorkomponentens livslängd dikteras ofta av den tid det tar för kiseldioxidskiktets tjocklek att nå en kritisk punkt där spänningen som orsakas av expansion och sammandragning under upprepad uppvärmning och kylning får beläggningen att hoppa av, sa Wadley.

Forskare och ingenjörer har två grundläggande strategier för att fördröja beläggningens separation och förlänga livslängden på dyra motorkomponenter. De kan göra det yttre beläggningsskiktet mycket tjockt för att bromsa ankomsten av syre till bindningsskiktet, men det ökar vikten och kostnaden. Eller, de kan skapa en annan typ av skyddande oxid, en som inte "poppar av".

Deijkers och Wadley följde den andra strategin.

Deras lösning använder ett yttre lager av ytterbiumdisilikat, ett sällsynt jordartsmetall som delar kisel och kiselkarbids termiska expansionsegenskaper och är långsamt att transportera syre och vattenånga mot kiselskiktet. De avsatte först kiselbindningsbeläggningen och placerade sedan ett tunt lager av hafniumoxid mellan kislet och ytterbiumdisilikatets yttre skikt.

Deras experimentella studier visar att när kiseldioxiden bildas på kisel, den reagerar omedelbart med hafnia och bildar en kisel-hafniumoxid, eller hafnon. Hafnonens termiska expansion och kontraktion är densamma som resten av beläggningen och kommer aldrig att få beläggningen att hoppa av eller spricka. Wadley kallar det att lägga till lite "hafnia fairy dust".

"När vi lägger ett mycket tunt lager hafnia ovanpå kisel, följt av ett lager ytterbiumdisilikat, syret som passerar genom ytterbiumdisilikatet skapar en kemisk reaktion med de underliggande materialen för att bilda hafnon, " sa Deijkers.

Deijkers tillgång till unik utrustning i Wadleys labb, specifikt ett riktat ångavsättningssystem, möjliggjorde detta genombrott inom miljöbarriärbeläggningar. Förmågan att deponera en film av ytterbiumdisilikat som är tunnare än diametern på ett människohår är nyckeln till deras framgång.

Den riktade ångavsättningsprocessen använder en kraftfull 10-kilowatt fokuserad elektronstråle för att smälta material i en lågtryckskammare. En supersonisk gasstråle transporterar ångan till den kiselbelagda kiselkarbiden där den kondenserar, skapa en tunn film. De använder sedan en plasmaspraymetod för att avsätta det slutliga ytterbiumdisilikatskiktet, och den belagda komponenten är sedan klar för testning.

Deijkers försvarade framgångsrikt sin avhandling i oktober 2020, kombinerar sina intressen för flygplan och högtemperaturmaterial för sin doktorsexamen. forskning, och följa sin fars väg in i materialvetenskap och ingenjörskonst.

"Min pappa brukade arbeta på muddring av fartyg. När jag såg pumphuset lysa orange-vitt i ugnen, det var så jag fångade ingenjörsfelet, " sa Deijkers.

Deijkers, som är från Nederländerna, kombinerade dessa tidiga minnen med sitt intresse för att tjänstgöra i det holländska flygvapnet, tar en kandidat- och masterexamen i flygteknik från Delfts tekniska universitet.

När Deijkers började söka till Ph.D. program i USA, hans masteruppsats om termiska barriärbeläggningar fångade Wadleys uppmärksamhet. Deijkers ankomst var väl tajmad. Gruppmedlem Brad Richards, som tog sin Ph.D. i materialvetenskap och teknik från UVA 2015, hade utvecklat kisel-ytterbiumdisilikatbeläggningssystemet för keramik som senare visade sig vara mycket likt det som används av tillverkare av flygmotorer.

Deijkers avhandling förbättrar Richards beläggningssystem, fördjupad förståelse för den inblandade ytkemin och öka beläggningssystemets livskraft för kommersiell användning.

"En uppsättning frågor som driver min forskning fokuserade på hur lång tid det tar för hafnon att bildas genom oxidationsprocessen, " sa Deijkers. "Jag ville förstå hur den här processen verkligen fungerar, och om vi faktiskt skulle kunna använda det.

"Denna beläggning har större potential än vi trodde; vi måste utveckla den och sätta den i en riktig motor, för att flytta den längre på vägen mot kommersialisering."

Dagens metoder har sina rötter i deponeringstekniker som utvecklades på 1970-talet.

"Jämfört med det senaste inom industrin, vår forskning gör en stor förbättring, " sa Deijkers. "Min grova uppskattning, om industriella tillverkare kunde implementera dessa nyare bearbetningstekniker, de kunde förlänga motordelarnas livslängd med så mycket som 200 gånger. Men det finns många hinder att ta sig igenom för att få den prestationsnivån."

Wadleys forskargrupp gjorde dessa framsteg med stöd av Office of Naval Research, vilket gav Wadleys team två på varandra följande anslag under en period av sex år.

"Problemen vi måste lösa är multidisciplinära och multiinstitutionella, " Sa Wadley. "Vi måste smälta samman kunskap från mekanik, kemi och materialvetenskap för att göra framsteg. Utöver det omedelbara behovet av att minska CO ₂ avges av framdrivningsteknik, vår forskning stödjer det globala skiftet från kolhaltiga kolväten till vätebränslen och den eventuella elektrifieringen av flygplattformar."

Medan Deijkers hoppas kunna locka privat industri till teamets beläggningssystem och deponeringsprocess, hans karriärambition är att göra vetenskapliga upptäckter på ett nationellt laboratorium eller i den akademiska världen.

"Nationen har ett akut behov av talang på denna arena, " sa Wadley. "Vi är i desperat behov av ljus, kreativa människor som vill utbildas för att lösa den här typen av problem för samhället framöver."

Precis som Deijkers fortsatte Richards forskning, han uppmuntrar studenter från UVA Engineering att delta i den tvärvetenskapliga forskning som pågår i Wadleys grupp.

"Vi hade studenter från flygteknik, fysik, systemteknik, " Deijkers sa. "Vi arbetar med många olika aspekter av problemet—datormodellering, materialsyntes, termomekanisk livslängdsdesign. Vi har alltid saker för studenter att göra, och vi är alltid öppna för dem att forska med oss."