Faserverstärkte Keramikmatrixverbundstoffe (CMCs) sind aufgrund ihrer hohen Zähigkeit, Festigkeit und anderer vorteilhafter Eigenschaften die bevorzugte Wahl für Radommaterialien in Hyperschallfahrzeugen. Die Oxidation durch Sauerstoff in der Atmosphäre bei erhöhten Temperaturen bleibt jedoch ein erhebliches Hindernis für ihre Weiterentwicklung.
Wärmeschutzbeschichtungen bieten eine wichtige Möglichkeit, dieses Problem zu mildern. Dennoch können inhärente Materialunterschiede oder Faserausrichtungen innerhalb von CMCs bei Temperaturschwankungen zu unterschiedlichen Wärmeausdehnungsraten zwischen Matrix und Fasern führen, was unweigerlich zu inneren Spannungen führt. Diese inneren Spannungen tragen ironischerweise zur Rissbildung und sogar zum Ablösen von Beschichtungen bei und stellen somit eine Herausforderung für deren Wirksamkeit dar.
„Der Weg des Tao verläuft durch Gegensätze; seine Funktion findet sich in der Schwäche.“ Inspiriert von der Weisheit der antiken Philosophen hat Professor Xia Long vom Key Laboratory of Special Ceramic Design and Preparation am Harbin Institute of Technology (Weihai) ein konzeptionelles Rahmenwerk vorgeschlagen, das auf umgekehrtem Denken basiert und dieses Problem anspricht. Dabei wird versucht, durch ein minimales „Opfer“ einen höheren „Ertrag“ zu erzielen.
Das Team ist sich der inhärenten Schwierigkeit bewusst, Risse in der Beschichtung zu verhindern, und schlägt daher vor, die Oxidation an den Rissstellen zu nutzen, wo die entstehenden Oxidprodukte chemisch oder physikalisch mit der oxidationsbeständigen Beschichtung interagieren können, um die Materialviskosität zu verringern. Diese gezielte Selbstheilung thermisch ungleichmäßiger Risse wird als „Dual-Feedback-Selbstheilungsmechanismus“ bezeichnet.
Das Team veröffentlichte seine Arbeit in Zeitschrift für moderne Keramik am 5. September 2024.
In dem Artikel wurde das SOAC@BNf/SiBN-Verbundmaterial hergestellt, um das vorgeschlagene Design zu validieren. Die SOAC-Schicht wurde in einem mehrstufigen Sprühbeschichtungsverfahren hergestellt. Der organische-anorganische Umwandlungsprozess von SOAC wurde bei verschiedenen Sintertemperaturen untersucht und bestätigte, dass beim Übergang von der organischen zur anorganischen Beschichtung keine kristallinen Strukturen gebildet wurden. Dieses Ergebnis unterstreicht den bemerkenswerten Vorteil der Beschichtung, da sie effektiv an der Substratoberfläche haftet.
Die Validierung durch Oxidationstests an BNf/SiBN-Keramiken ergab, dass das BNf/SiBN-Komposit bei etwa 1100 °C eine allmähliche Oxidation einleitet. Während dieses Prozesses reagiert der erzeugte B2O3-Dampf beim Entweichen mit SiO2 im Si-O-Al-System und bildet eine glasartige SiO2-B2O3-Phase. Dies verringert die Viskosität der oxidationsbeständigen Beschichtung, sodass sie spontan fließen und Defekte füllen kann, wodurch Sauerstoffdurchdringungswege abgedichtet werden. Folglich schützt die Beschichtung das Substrat wirksam bei erhöhten Temperaturen.
Die Ergebnisse der thermischen Analyse zeigen eine deutliche Reduzierung der Gewichtsverlustrate durch Hochtemperaturoxidation des Si-O-Al@BNf/SiBN-Materialsystems von 11 % auf 2,4 %. Dies ist auf den dualen Rückkopplungs-Selbstheilungsmechanismus zurückzuführen, der die strukturelle Integrität sichert und die mechanischen Eigenschaften des Materials in Hochtemperaturumgebungen bewahrt.
Um die theoretische Machbarkeit des dualen Rückkopplungs-Selbstheilungsmechanismus zu ergründen, sind jedoch weitere sorgfältige Forschungen erforderlich. Xia schlägt außerdem vor, dass künftige Bemühungen Materialien mit verbesserten chemischen oder physikalischen Wechselwirkungen zwischen den Matrixoxidationsprodukten und Schutzbeschichtungen erforschen könnten, um die Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit von Faserverbundstoffen zu verbessern.
Weitere mitwirkende Autoren sind Yuanshuai Wang, Xinyu Wang, Pianpian Zhang, Anqi Lun, Yuewei Li, Yi Wang, Lizhe Xing, Zhengyang Fu und Ya’nan Yang.
Weitere Informationen:
Yuanshuai Wang et al., Dual-Feedback-Heilmechanismus definiert Antioxidationsbeschichtungen in faserverstärkten Verbundwerkstoffen neu, Zeitschrift für moderne Keramik (2024). DOI: 10.26599/JAC.2024.9220966
Zur Verfügung gestellt von Tsinghua University Press