Forskare har visat en ny metod för att testa mikroskopiska flygmaterial vid ultrahöga temperaturer. Genom att kombinera elektronmikroskopi och laseruppvärmning, forskare kan utvärdera dessa material mycket snabbare och billigare än med traditionella tester.

Resultaten av den nya studien, dirigeras av Shen Dillon, en professor i materialvetenskap och teknik vid University of Illinois i Urbana-Champaign, och medarbetare från Sandia Laboratories, publiceras i tidskriften Nanobokstäver .

För ett decennium sedan, framsteg inom flygmaterial involverade tester av stora, dyra modeller och år av utveckling. Forskare och ingenjörer använder nu experiment i mikroskala för att skapa nya material och förstå de kemiska och fysikaliska egenskaper som leder till materialfel.

"Mekanisk testning i mikroskala ger möjligheter att bryta ner materialen i sina komponenter och se defekter på atomnivå, sa Dillon.

Tills nu, forskare har inte kunnat genomföra framgångsrika materialtester i mikroskala vid de extrema temperaturer som kritiska komponenter upplever under flygning.

"Tyvärr, det är verkligen svårt att utföra experiment med nya material eller kombinationer av befintliga material vid ultrahöga temperaturer över 1, 000 C eftersom du stöter på problemet med att förstöra själva testmekanismerna, sa Dillon.

Denna temperaturbarriär har bromsat utvecklingen av nya material för kommersiella applikationer som raketer och fordon, som kräver testning vid temperaturer långt över den nuvarande forskningens gräns på "några hundra grader Celsius, "Sade han. "Den metod vi visar i tidningen kommer att avsevärt minska tiden och kostnaderna för att göra dessa test möjliga."

Deras test med ultrahög temperatur kombinerade två vanliga verktyg på ett unikt sätt. Med hjälp av ett transmissionselektronmikroskop och riktad laseruppvärmning, de kunde se och kontrollera var och hur materialet deformerades vid högsta möjliga temperatur innan provet avdunstade.

"Vi kunde föra ihop lasern med den mekaniska testaren så exakt med TEM att vi kunde värma provet utan att överhetta den mekaniska testaren, "Dillon sa. "Vårt test låter dig odla en tunn film av materialet utan någon speciell bearbetning och sedan lägga den i mikroskopet för att testa ett antal olika mekaniska egenskaper."

Som proof of concept, studien testade zirkoniumdioxid – som används i bränsleceller och termiska barriärbeläggningar – vid temperaturer upp till 2, 050 C, "en temperatur långt över allt som du kunde göra tidigare, sa Dillon.

Dillon säger att uppsatsen kommer att resultera i att "fler människor använder den här tekniken för högtemperaturtester i framtiden eftersom de är mycket lättare att göra och ingenjörsintresset är definitivt där."

Dillon är också ansluten till Materials Research Lab i Illinois. National Science Foundation och Army Research Office stödde denna studie.