I ricercatori hanno dimostrato, per la prima volta, che un metodo di analisi ottica può rivelare aree deboli nei rivestimenti ceramici a barriera termica che proteggono le turbine dei motori a reazione dalle alte temperature e dall'usura. La tecnica potrebbe essere utilizzata per prevedere quanto tempo dureranno i rivestimenti su un aereo e potrebbe eventualmente portare a nuovi rivestimenti a barriera termica, rendendo i motori più efficienti e riducendo sia i costi che l'inquinamento dei viaggi aerei.

La durata di un rivestimento a barriera termica utilizzato sulle pale delle turbine degli aeroplani può variare ampiamente da un minimo di 1, 000 ore fino a 10, 000 ore a piena spinta della turbina, anche quando il rivestimento viene applicato nello stesso identico modo. Poiché la durata è imprevedibile e il guasto durante il volo potrebbe essere catastrofico, le pale della turbina sono programmate per la sostituzione in base alla durata stimata più breve.

"La nostra tecnica di misurazione della deformazione può analizzare i rivestimenti immediatamente dopo la produzione e lavorare per identificare le pale della turbina che dureranno più a lungo nell'aereo, " ha detto il capo del gruppo di ricerca, Andrew J. Moore, dell'Università Heriot-Watt, UK. "In definitiva, vogliamo sviluppare un dispositivo di imaging che mostri la distribuzione della deformazione nel rivestimento di un'intera pala di turbina, informazioni che sarebbero state utilizzate per decidere se quella pala della turbina sarebbe entrata in servizio."

Nella rivista The Optical Society Optics Express , i ricercatori hanno dimostrato che i cambiamenti nell'indice di rifrazione, una misura della velocità con cui la luce viaggia attraverso un materiale, potrebbe essere osservato quando un pezzo di metallo rivestito con un rivestimento di barriera termica in ceramica è stato tirato in modo controllato. Il team di ricerca di Moore sta collaborando con Rolls-Royce, leader nella produzione di motori a reazione.

"Se possiamo correlare il modo in cui la distribuzione della deformazione è correlata alla durata del rivestimento, quindi potremmo determinare quali rivestimenti falliranno per primi e non dovrebbero essere messi in un aereo e quali dureranno molto più a lungo, " ha detto Moore. "Ciò aumenterebbe significativamente il tempo tra i servizi, che porterebbe enormi risparmi."

La nuova tecnica potrebbe essere utilizzata anche per prevedere la durata dei rivestimenti sviluppati per essere più affidabili o tollerare temperature più elevate, che consente ai motori di funzionare in modo più efficiente. Potrebbe anche trovare impiego nelle applicazioni automobilistiche e nucleari in cui le ceramiche sono utilizzate anche come barriere termiche.

Vedere attraverso materiali opachi

L'uso dell'illuminazione a gigahertz (GHz) è stato fondamentale per la nuova tecnica perché queste lunghezze d'onda possono viaggiare attraverso alcuni materiali opachi, come la ceramica, consentendo l'analisi dall'interno del materiale. lunghezze d'onda visibili, d'altra parte, può essere utilizzato solo per l'analisi superficiale di materiali opachi.

I ricercatori hanno testato la loro tecnica con pezzi di metallo spruzzati con gli stessi rivestimenti ceramici utilizzati sulle pale delle turbine Rolls Royce. Hanno messo i pezzi in una macchina di trazione che ha applicato la tensione tirando lentamente il metallo. I ricercatori hanno quindi applicato l'illuminazione a GHz (280-380 GHz) durante il processo, che viaggiava attraverso il rivestimento ceramico e rimbalzava sul metallo sottostante. La luce riflessa è stata quindi misurata utilizzando un polariscopio per determinare come l'indice di rifrazione della ceramica è cambiato con la deformazione applicata. Sebbene l'attuale configurazione ottica del team acquisisca solo misurazioni basate su punti, i ricercatori affermano che la tecnica potrebbe essere utilizzata con una configurazione di imaging per analizzare un'intera lama.

"Con l'illuminazione a GHz siamo stati in grado di vedere i cambiamenti nell'indice di rifrazione con lo sforzo applicato, " ha detto Moore. "Questo dimostra che il nostro approccio potrebbe essere applicato per la garanzia della qualità in futuro."

I ricercatori hanno recentemente iniziato a sperimentare l'utilizzo di un'illuminazione a frequenza più elevata nella gamma dei terahertz (THz), che potrebbe migliorare la risoluzione spaziale della tecnica. In collaborazione con la Cranfield University, UK, stanno anche usando la loro tecnica per effettuare misurazioni della deformazione di campioni di metallo rivestiti in ceramica che subiscono un invecchiamento accelerato. "Cercheremo di vedere quando i rivestimenti si guastano e quindi di correlarli con le misurazioni GHz e THz che abbiamo effettuato prima del processo di invecchiamento, " ha detto Moore. "Questo è un passo verso l'utilizzo della nostra tecnica per identificare quali rivestimenti falliscono per primi".