Das Design mit hoher Wärmeableitung verbessert den Wärmeschutz bei der Ablation bei ultrahohen Temperaturen

ZrC hat als ablationshemmendes Beschichtungsmaterial für leichte C/C-Verbundwerkstoffe große Aufmerksamkeit auf sich gezogen, ist jedoch durch den entstehenden porösen und losen ZrO2-Film begrenzt. Um dieses Problem zu lösen, wird die zweite Phase eingeführt, um die Verdichtung des gebildeten Zr-XO-Films zu verbessern. Wie bei der ZrC-SiC/TaC-Beschichtung halfen die entstehenden niedrigschmelzenden Oxide SiO2 (Tm=1650 °C), Ta2O5 (Tm=1800 °C) und Zr6Ta2O17 (Tm=1900 °C) bei der Bildung eines dichten Oxidfilms.

Die hohen Betriebstemperaturen führen jedoch zu einer Wärmestauung und einem großen thermischen Spannungsgradienten auf der Oberfläche der Beschichtungen, was zu großen lokalen Defekten führt und das Versagen der Beschichtung beschleunigt.

Um die Ansammlung von Ablationswärme zu verringern, ist die Einarbeitung von Nanomaterialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit eine effektive Strategie, die jedoch aufgrund der Agglomeration in der Praxis nur begrenzt anwendbar ist. Eine Kern-Schale-Struktur ist vorteilhaft, da sie der äußeren Kohlenstoffschale eine gute Dispersion und ein Wärmeleitungsnetzwerk verleihen kann. Das Erreichen einer gleichmäßig verteilten Kern-Schale-Struktur innerhalb einer dichten Beschichtung bleibt jedoch eine Herausforderung, da die Struktur nur schwer erhalten bleibt und komplexe Herstellungsprozesse dies einschränken.

Kürzlich konstruierte ein Team der Northwestern Polytechnical University in China SiC/TaC aus Polymer mit einer Graphenhülle und bereitete eine entsprechende dichte ZrC-SiC/TaC@C-Beschichtung vor. Diese Arbeit erklärt nicht nur die wärmeableitende Wirkung der Kohlenstoffhülle in der ZrC-SiC/TaC-Beschichtung auf die Verbesserung ihrer Schutzfähigkeit gegen Ablation bei ultrahohen Temperaturen, sondern liefert auch eine konstruktive Idee, wie die Verbesserung der Ablationsbeständigkeit durch die Einbeziehung von Kohlenstoffnanomaterialien verbessert werden kann.

Das Team veröffentlicht ihre Arbeit in Zeitschrift für moderne Keramik am 30. Juli 2024.

„In diesem Bericht haben wir ein wärmeleitendes Nanonetzwerk mit einer Keramik-Kohlenstoff-Kern-Schale-Struktur entworfen und konstruiert. Polymerbasiertes SiC/TaC mit einer Graphen-Kohlenstoff-Schale wurde synthetisiert und durch Überschall-Plasmaspritzen in eine ZrC-Beschichtung eingebracht. Die Einarbeitung von Kohlenstoff-Nanomaterialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit könnte die Oberflächentemperatur von Ablationsbeschichtungen senken und so die Ablationswärmeansammlung verringern.

„Die Oberflächentemperaturen der ZrC–SiC/TaC@C- und ZrC–SiC/TaC-Beschichtungen erreichen 2032 bzw. 2224 °C, was einem Temperaturunterschied von fast 200 °C entspricht. Verglichen mit der ZrC–SiC/TaC-Beschichtung ist der Rl der ZrC–SiC/TaC@C-Beschichtung niedriger und beträgt nur 0,009 μm/s, eine Abnahme von 93,7 %“, sagte Jia Sun von der School of Materials der Northwestern Polytechnical University (China), ein erfahrener Experte, dessen Forschungsinteressen sich auf den Bereich der Hochtemperatur-Keramikmaterialien konzentrieren.

Weitere Mitwirkende sind Yuyu Zhang, Xuemeng Zhang, Hongkang Ou und Qiangang Fu von der School of Materials der Northwestern Polytechnical University in Xi’an, China, und Bozhe Wang vom System Design Institute der Hubei Aerospace Technology Academy in Wuhan, China.