EL - Η Κίνα δημιουργεί κεραμικά ανθεκτικά σε θερμοκρασίες έως 1800°C για υπερηχητικά αεροσκάφη και πυρηνικούς αντιδραστήρες

Η Κίνα δημιουργεί κεραμικά ανθεκτικά σε θερμοκρασίες έως 1800°C για υπερηχητικά αεροσκάφη και πυρηνικούς αντιδραστήρες.

Επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο Harbin στην Κίνα ανέπτυξαν μια νέα μέθοδο δύο σταδίων, η οποία χρησιμοποιεί αντιδραστική σύντηξη με σπινθηρισμό πλάσματος επί τόπου (in-situ reactive spark plasma sintering – SPS), με πρώτες ύλες τα ZrC, TiSi₂ και B₄C, για την παραγωγή κεραμικών υπερυψηλής θερμοκρασίας (UHTCs). Σημειώνεται ότι τα ZrC (Καρβίδιο του Ζιρκονίου), TiSi₂ (Δισιλικίδιο του Τιτανίου) και B₄C (Καρβίδιο του Βορίου) είναι προηγμένα κεραμικά υλικά (advanced ceramics) ή πυρίμαχες ενώσεις (refractory compounds) με εξαιρετικά υψηλές μηχανικές και θερμικές ιδιότητες.

Αυτά τα υλικά νέας γενιάς είναι καθοριστικής σημασίας για εφαρμογές όπως η πυρηνική ενέργεια νέας γενιάς, η υπερηχητική πτήση και τα προηγμένα συστήματα πρόωσης που λειτουργούν υπό ακραίες συνθήκες.

Το καρβίδιο του ζιρκονίου (ZrC) αποτελεί κορυφαίο υλικό για την κατασκευή κεραμικών υπερυψηλής θερμοκρασίας, χάρη στο εξαιρετικά υψηλό σημείο τήξης και τη σταθερότητά του στη στερεά κατάσταση. Ωστόσο, η ευρείας κλίμακας εφαρμογή του παραμένει ακόμη μακρινός στόχος.

Οι ερευνητές Boxin Wei και Yujin Wang επιχείρησαν να αντιμετωπίσουν τις τεχνικές αδυναμίες που συνάντησαν υιοθετώντας μια διαδικασία δύο σταδίων. «Η βασική πρόκληση που επιδιώξαμε να αντιμετωπίσουμε ήταν πώς να ενισχύσουμε ταυτόχρονα τόσο τη συμπύκνωση όσο και την αντοχή στη θραύση των κεραμικών ZrC», εξήγησε ο Boxin Wei, αναπληρωτής καθηγητής στο Harbin University of Science and Technology, σε δελτίο Τύπου.

«Η προσέγγισή μας βασίστηκε σε μια προσεκτικά σχεδιασμένη ακολουθία αντιδράσεων in-situ, η οποία όχι μόνο προάγει τη συμπύκνωση σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, αλλά και δημιουργεί μια ιεραρχική μικροδομή με ενισχυτικές φάσεις που δρουν σε διαφορετικές κλίμακες μήκους», πρόσθεσε.

Στο πρώτο στάδιο, που πραγματοποιείται στους 2912°F (1600°C), το TiSi₂ αντιδρά κατά προτίμηση με το B₄C σχηματίζοντας TiB₂ και SiC. Το πρόγραμμα σύντηξης περιλαμβάνει τρία λεπτά σε αυτή τη θερμοκρασία και στη συνέχεια αύξηση της θερμοκρασίας στους 3272°F (1800°C).

Το άτομο πυριτίου που απελευθερώνεται στο πρώτο στάδιο αντιδρά στη συνέχεια με τη μήτρα ZrC, παράγοντας ZrSi₂ και δευτερογενές SiC. Η σύντηξη μέσω υγρής φάσης και η αμοιβαία διάχυση των στοιχείων Zr και Ti οδηγούν στον σχηματισμό στερεών διαλυμάτων (Zr,Ti)C και (Ti,Zr)B₂. Η παραμονή σε χαμηλότερη θερμοκρασία δίνει προτεραιότητα στην ολοκλήρωση των in-situ αντιδράσεων, δημιουργώντας μεταξύ άλλων υψηλή πυκνότητα λεπτόκοκκων πυρήνων TiB₂ και SiC.

Η εργασία των ερευνητών αποδεικνύει ότι ο προσεκτικός έλεγχος της ακολουθίας των αντιδράσεων και του θερμικού ιστορικού μπορεί να μεταβάλει θεμελιωδώς τη σχέση μικροδομής–ιδιοτήτων στα κεραμικά καρβιδίων.

Τα αναλυτικά ευρήματα της έρευνας δημοσιεύθηκαν στο Journal of Advanced Ceramics.

photo: pixabay