Kiselkarbid nanorör fästa till separata kiselkarbidfibrer, används av NASA, trassla in varandra i denna elektronmikroskopbild. Materialet som skapats vid Rice University är avsett för en keramisk komposit som skulle göra raketmotorer starkare, lättare och klarar bättre av extrem värme. Kredit:Ajayan Research Group/Rice University
För att stå emot värmen och trycket från nästa generations raketmotorer, kompositfibrerna som används för att göra dem ska vara luddiga.
Rice Universitys laboratorium för materialforskaren Pulickel Ajayan, i samarbete med NASA, har utvecklat "fuzzy fibrer" av kiselkarbid som fungerar som kardborreband och står upp mot det straff som material upplever i flygtillämpningar.
Fibrerna stärker kompositer som används i avancerade raketmotorer som måste tåla temperaturer upp till 1, 600 grader Celsius (2, 912 grader Fahrenheit). Keramiska kompositer i raketer som nu utvecklas använder kiselkarbidfibrer för att stärka materialet, men de kan spricka eller bli spröda när de utsätts för syre.
Rislabbet bäddade in nanorör och nanotrådar av kiselkarbid i ytan av NASA:s fibrer. De exponerade delarna av fibrerna är lockiga och fungerar som krokarna och öglorna som gör kardborrebandet så värdefullt – men på nanoskalan.
Resultatet, enligt ledande forskare Amelia Hart, en risstudent, och Chandra Sekhar Tiwary, en postdoktor för Rice, skapar mycket starka sammankopplingar där fibrerna trasslar ihop sig; detta gör inte bara kompositen mindre benägen att spricka utan tätar den också för att förhindra att syre ändrar fiberns kemiska sammansättning.
En kiselkarbidfiber förstärkt med en matta av "fuzzy" karbidnanorör skapad vid Rice University visas till vänster. Samma fiber med fuzz intakt visas direkt efter att forskare bränt den med en tändare. Kredit:Ajayan Research Group/Rice University
Arbetet beskrivs detaljerat i tidskriften American Chemical Society Tillämpade material och gränssnitt .
Arbetet började när Hart, som hade studerat tillväxten av kolnanorör på keramisk ull, träffade Michael Meador, då en vetenskapsman vid NASA:s Glenn Research Center, Cleveland, vid kickoff-mottagningen för Rice's Materials Science and NanoEngineering Department. (Meador är nu projektledare för nanoteknik vid NASA:s Game Changing Technologies-program.)
Det ledde till ett stipendium i Cleveland och chansen att kombinera hennes idéer med NASAs forskningsingenjör och medförfattare Janet Hurst. "Hon omvandlade delvis kiselkarbid från kolnanorör, ", sa Hart. "Vi använde hennes formulering och min förmåga att odla nanorör och kom på hur vi skulle göra den nya kompositen."
Tillbaka på Rice, Hart och hennes kollegor odlade sina krokar och öglor genom att först bada kiselkarbidfiber i en järnkatalysator och sedan använda vattenassisterad kemisk ångavsättning, en process utvecklad delvis på Rice, att bädda in en matta av kolnanorör direkt i ytan. Dessa blir mallen för den slutliga produkten. Fibrerna värmdes sedan i kiselnanopulver vid hög temperatur, som omvandlar kolnanorören till "fuzz" av kiselkarbid.
Forskarna hoppas att deras luddiga fibrer kommer att uppgradera de starka, lätta och värmebeständiga kiselkarbidfibrer som, när de läggs i keramiska kompositer, testas för robusta munstycken och andra delar i raketmotorer. "Kiselkarbidfibern de redan använder är stabil till 1, 600 C, " Sa Tiwary. "Så vi är övertygade om att fästa kiselkarbid nanorör och ledningar för att öka styrkan kommer att göra det ännu mer banbrytande."
Rice University doktorand Amelia Hart håller "fuzzy" kiselkarbidfibrer förstärkta med kiselkarbid nanorör som trasslar in varandra när de sätts in i en keramisk komposit och ger styrka och motståndskraft mot extrem värme. Kredit:Ajayan Research Group/Rice University
De nya materialen ska också göra hela turbomotorer betydligt lättare, sa Hart. "Innan de använde kiselkarbidkompositer, många motordelar var gjorda av nickel superlegeringar som var tvungna att inkludera ett kylsystem, som gav tyngd åt det hela, " sa hon. "Genom att byta till keramiska matriskompositer, de kunde ta ut kylsystemet och gå till högre temperaturer. Vårt material kommer att möjliggöra skapandet av större, mer hållbara turbojetmotorer som går till högre temperaturer än någonsin tidigare."
Friktions- och kompressionstestning visade att den laterala kraften som behövdes för att flytta nanorör och trådar av kiselkarbid över varandra var mycket större än den som behövdes för att glida förbi antingen vanliga nanorör eller oförstärkta fibrer, rapporterade forskarna. De kunde också enkelt studsa tillbaka från hög kompression som applicerades med en nano-indenter, som visade deras förmåga att motstå att bryta ner under längre tid.
Tester för att se hur väl fibrerna hanterade värme visade att vanliga kolnanorör brann bort från fibrerna, men nanorören av kiselkarbid motstod lätt temperaturer på upp till 1, 000 C.
Hart sa att nästa steg kommer att vara att tillämpa sina omvandlingstekniker på andra kolnanomaterial för att skapa unika tredimensionella material för ytterligare applikationer.
