混合納米材料有望改善陶瓷復合材料

Wright-Patterson空軍基地的研究人員正在尋求一種新穎的工藝專利，該工藝用于制造一種類型的材料，稱為陶瓷陶瓷接枝的納米顆粒或“毛狀納米顆粒”(HNP)。

HNP是一種雜化材料，由結合到固體納米顆粒核的聚合物殼組成。聚合物(一連串的重復分子)在納米顆粒周圍形成“頭發”，大約相當于小型病毒的大小。

盡管HNP已經存在了很多年，但使這一點與眾不同的是附著在核心顆粒上的聚合物的類型。它是一種預陶瓷聚合物，是用于形成高性能陶瓷纖維和復合材料的一類特殊聚合物。

項目負責人Matthew Dickerson博士說：“我們工藝中使用的特殊聚合物使我們的工作與眾不同。” “研究人員過去曾制造過這種有毛的納米粒子，但他們使用的是聚苯乙烯等有機聚合物。我們的聚合物與眾不同;它是無機的，因為它含有硅。它有點像具有硅骨架的有機硅(填縫料)和氧重復，但我們的骨干有硅和碳重復。”

陶瓷材料和加工研究團隊的成員，從左至右：克里斯蒂娜·湯普森女士，代頓街博士，卡拉·馬丁博士和馬修·迪克森博士。圖片來源：美國空軍合影/ Karen Schlesinger

這種硅和碳的化學性質使聚合物在加熱到高溫時可以轉變為碳化硅陶瓷。

這種特殊工藝產生的HNP將用于制造由陶瓷復合材料制成的飛機零件。迪克森說：“陶瓷復合材料用于美國空軍的高溫應用，其受益于密度低于金屬的材料，包括噴氣發動機和高超音速車輛部件。” “我們針對這些類型的應用設想了我們合成的HNP。”

但是，這種特殊的雜化材料并不是通過簡單地將聚合物和納米顆粒混合在一起并希望達到最佳效果而制成的。迪克森說：“簡單的混合物會產生類似膩子或脆性的混合物，但是最終我們得到的混合材料卻像糖蜜一樣流動，因此它更容易流入多孔陶瓷中。”

在陶瓷基復合材料的制造過程中，用于將陶瓷纖維粘合在一起的材料會大大收縮。這種收縮導致必須重新填充或滲透的裂縫和空隙。由HNP制成的混合材料最重要的要求之一是，它必須易于流動，以便能夠滲入這些空隙。

使用當前的最新工藝，陶瓷必須經歷幾次滲透(六到十次)滲透才能達到所需的密度。專利申請以及最近在《材料化學》上發表的一篇論文中描述的新方法所產生的材料可以潛在地將滲透循環次數減少約一半，從而實現更具成本效益，更快的生產速度。生產組件。

即使陶瓷復合材料具有比常規金屬部件更高的高溫性能，降低其成本仍是使其能夠在要求苛刻的空軍應用中廣泛使用的關鍵。

該項目由空軍科研辦公室資助。AFOSR計劃官Pan Ming-Jen Pan博士說：“這項研究是陶瓷納米復合材料合成的一項重大技術進步。它為混合材料的納米結構提供了前所未有的控制。我為這一發現為未來復合材料的設計和加工帶來的可能性感到興奮。”

收到了額外的資金，以研究材料的化學性質如何決定其性能。

迪克森說：“這是一個困難的項目。花了將近三年的時間才把它做好。” 他說：“對于卡拉來說，這是一次真正的勝利。”他指的是研究科學家卡拉·馬丁博士。“開發化學合成程序以制造這些顆粒是非常困難的。她的新想法和堅韌使她能夠看到該項目取得成功。”