I ricercatori della base aeronautica di Wright-Patterson stanno cercando di brevettare un nuovo processo per la produzione di un tipo di materiale chiamato nanoparticelle innestate di polimeri preceramici, o "nanoparticelle pelose" (HNP).

Un HNP è un materiale ibrido costituito da un guscio polimerico legato a un nucleo solido di nanoparticelle. Il polimero, una catena di molecole ripetute, forma i "capelli" attorno alla nanoparticella, che ha all'incirca le dimensioni di un piccolo virus.

Sebbene gli HNP siano in circolazione da molti anni, ciò che lo rende diverso è il tipo di polimero attaccato alla particella centrale. È un polimero pre-ceramico, una classe speciale di polimero utilizzato nella formazione di fibre ceramiche e compositi ad alte prestazioni.

"Lo speciale polimero utilizzato nel nostro processo è ciò che contraddistingue il nostro lavoro, ", ha affermato il capo del progetto, il dott. Matthew Dickerson. "I ricercatori hanno realizzato questo tipo di nanoparticelle pelose in passato, ma hanno usato polimeri organici come il polistirene. Il nostro polimero è diverso; è inorganico perché contiene silicio. È un po' come i siliconi (caulk), che hanno una spina dorsale di ripetizioni di silicio e ossigeno, ma il nostro ha una spina dorsale di ripetizioni di silicio e carbonio."

Questa chimica del silicio e del carbonio consente al polimero di convertirsi in una ceramica di carburo di silicio quando riscaldato a temperature elevate.

Gli HNP risultanti da questo processo speciale verranno utilizzati nella produzione di parti di aeromobili in materiale composito ceramico. "I compositi ceramici sono utilizzati per le applicazioni dell'aeronautica statunitense ad alta temperatura che beneficiano di materiali che hanno una densità inferiore rispetto ai metalli, compresi motori a reazione e componenti di veicoli ipersonici, " ha detto Dickerson. "Gli HNP che abbiamo sintetizzato sono previsti per quel tipo di applicazioni".

Questo speciale materiale ibrido, però, non è fatto semplicemente mescolando il polimero e le nanoparticelle insieme e sperando per il meglio. "Una semplice miscela risulterebbe in qualcosa come un mastice o una miscela fragile, " ha detto Dickson, "ma il materiale ibrido con cui finiamo scorre più come la melassa, quindi fluirà più facilmente in una ceramica porosa".

Durante la produzione di un composito a matrice ceramica, i materiali utilizzati per legare tra loro le fibre ceramiche si restringono notevolmente. Questo restringimento si traduce in crepe e vuoti che devono essere riempiti, o infiltrato. Uno dei requisiti più importanti del materiale ibrido costituito dagli HNP è che deve fluire facilmente in modo da potersi infiltrare in quei vuoti.

Con gli attuali processi all'avanguardia, la ceramica deve subire diversi cicli (da sei a dieci) di infiltrazione per raggiungere la densità desiderata. Il nuovo processo descritto nella domanda di brevetto, così come in un articolo recentemente pubblicato in Chimica dei materiali , produce un materiale che potrebbe potenzialmente ridurre di circa la metà il numero di cicli di infiltrazione, risultando più conveniente, componente più veloce da produrre.

Anche con le proprietà superiori alle alte temperature dei compositi ceramici rispetto ai componenti metallici convenzionali, la riduzione dei loro costi è la chiave per consentire il loro uso diffuso in applicazioni aeronautiche impegnative.

Il progetto è stato finanziato dall'Ufficio per la ricerca scientifica dell'Aeronautica Militare. "Questa ricerca è un importante progresso tecnologico nella sintesi di nanocompositi ceramici, disse il dottor Ming-Jen Pan, Responsabile del programma presso AFOSR. "Fornisce un controllo senza precedenti della nanostruttura dei materiali ibridi. Sono entusiasta delle possibilità che questa scoperta offre alla progettazione e alla lavorazione dei futuri materiali compositi".

Sono stati ricevuti ulteriori finanziamenti per esaminare come la chimica dei materiali ne determina le proprietà.

"Questo è stato un progetto difficile da realizzare. Ci sono voluti quasi tre anni per farlo bene, " ha detto Dickerson. "È stata una vera vittoria per Kara, " Ha aggiunto, riferendosi al ricercatore Dr. Kara L. Martin. "Sviluppare la procedura di sintesi chimica per produrre queste particelle è molto difficile. Le sue idee fresche e la sua tenacia le hanno permesso di portare a termine il progetto fino al successo".