Nanotubi di carburo di silicio attaccati a fibre di carburo di silicio separate, utilizzato dalla NASA, impigliarsi l'un l'altro in questa immagine al microscopio elettronico. Il materiale creato alla Rice University è destinato a un composito ceramico che renderebbe più forti i motori a razzo, più leggero e meglio in grado di resistere al calore estremo. Credito:Ajayan Research Group/Rice University
Per resistere al calore e alla pressione dei motori a razzo di prossima generazione, le fibre composite utilizzate per realizzarli dovrebbero essere sfocate.
Il laboratorio dello scienziato dei materiali della Rice University Pulickel Ajayan, in collaborazione con la Nasa, ha sviluppato "fibre sfocate" di carburo di silicio che agiscono come velcro e resistono alla punizione che i materiali subiscono nelle applicazioni aerospaziali.
Le fibre rinforzano i compositi utilizzati nei motori a razzo avanzati che devono resistere a temperature fino a 1, 600 gradi Celsius (2, 912 gradi Fahrenheit). I compositi ceramici nei razzi ora in fase di sviluppo utilizzano fibre di carburo di silicio per rafforzare il materiale, ma possono rompersi o diventare fragili se esposti all'ossigeno.
Il laboratorio Rice ha incorporato nanotubi e nanofili di carburo di silicio nella superficie delle fibre della NASA. Le parti esposte delle fibre sono ricci e agiscono come i ganci e gli anelli che rendono il velcro così prezioso, ma su scala nanometrica.
Il risultato, secondo i ricercatori principali Amelia Hart, uno studente laureato in riso, e Chandra Sekhar Tiwary, un associato post-dottorato di Rice, crea connessioni ad incastro molto forti dove le fibre si aggrovigliano; questo non solo rende il composito meno soggetto a fessurazioni, ma lo sigilla anche per impedire all'ossigeno di modificare la composizione chimica della fibra.
A sinistra è mostrata una fibra di carburo di silicio arricchita con un tappeto di nanotubi di carburo "sfocati" creati alla Rice University. La stessa fibra con la peluria intatta appare subito dopo che i ricercatori l'hanno bruciata con un accendino. Credito:Ajayan Research Group/Rice University
Il lavoro è dettagliato nella rivista American Chemical Society Materiali applicati e interfacce .
Il lavoro è iniziato quando Hart, che aveva studiato la crescita dei nanotubi di carbonio su lana ceramica, incontrato Michael Meador, poi uno scienziato del Glenn Research Center della NASA, Cleveland, al ricevimento del kickoff per il dipartimento di scienza dei materiali e nanoingegneria della Rice. (Meador è ora project manager di nanotecnologia presso il programma Game Changing Technologies della NASA.)
Ciò ha portato a una borsa di studio a Cleveland e alla possibilità di combinare le sue idee con quelle dell'ingegnere di ricerca della NASA e co-autrice di articoli Janet Hurst. "Stava convertendo parzialmente il carburo di silicio dai nanotubi di carbonio, "Ha detto Hart. "Abbiamo usato la sua formulazione e la mia capacità di coltivare nanotubi e abbiamo capito come realizzare il nuovo composito".
Tornato al riso, Hart e i suoi colleghi hanno fatto crescere i loro ganci e anelli bagnando prima la fibra di carburo di silicio in un catalizzatore di ferro e poi usando la deposizione di vapore chimico assistito dall'acqua, un processo sviluppato in parte alla Rice, per incorporare un tappeto di nanotubi di carbonio direttamente nella superficie. Questi diventano il modello per il prodotto finale. Le fibre sono state poi riscaldate in nanopolvere di silicio ad alta temperatura, che converte i nanotubi di carbonio in "peluria" di carburo di silicio.
I ricercatori sperano che le loro fibre sfocate migliorino il forte, fibre di carburo di silicio leggere e resistenti al calore che, quando messo in compositi ceramici, vengono testati per ugelli robusti e altre parti nei motori a razzo. "La fibra di carburo di silicio che già usano è stabile a 1, 600 C, " Ha detto Tiwary. "Quindi siamo fiduciosi che il collegamento di nanotubi e fili di carburo di silicio per aggiungere resistenza lo renderà ancora più all'avanguardia".
Amelia Hart, studentessa laureata alla Rice University, contiene fibre di carburo di silicio "sfocate" potenziate con nanotubi di carburo di silicio che si aggrovigliano l'una con l'altra quando vengono inserite all'interno di un composito ceramico e aggiungono forza e resistenza al calore estremo. Credito:Ajayan Research Group/Rice University
I nuovi materiali dovrebbero anche rendere significativamente più leggeri interi motori turbo, ha detto Hart. "Prima che usassero compositi al carburo di silicio, molte parti del motore erano realizzate in superleghe di nichel che dovevano incorporare un sistema di raffreddamento, che dava peso all'insieme, " ha detto. "Passando ai compositi a matrice ceramica, potrebbero togliere il sistema di raffreddamento e andare a temperature più alte. Il nostro materiale permetterà la realizzazione di grandi, motori a turbogetto più duraturi che raggiungono temperature più elevate che mai."
I test di attrito e compressione hanno mostrato che la forza laterale necessaria per spostare i nanotubi e i fili di carburo di silicio l'uno sull'altro era molto maggiore di quella necessaria per scorrere oltre i nanotubi semplici o le fibre non potenziate, hanno riferito i ricercatori. Sono stati anche in grado di riprendersi facilmente dall'elevata compressione applicata con un nano-penetratore, che hanno mostrato la loro capacità di resistere alla rottura per periodi di tempo più lunghi.
I test per vedere come le fibre hanno gestito il calore hanno mostrato semplici nanotubi di carbonio che bruciano lontano dalle fibre, ma i nanotubi di carburo di silicio hanno resistito facilmente a temperature fino a 1, 000 C.
Hart ha affermato che il prossimo passo sarà applicare le sue tecniche di conversione ad altri nanomateriali di carbonio per creare materiali tridimensionali unici per applicazioni aggiuntive.
