Ein neuartiges Wärmedämmmaterial für Anwendungen mit ultrahohen Temperaturen: Hierarchische poröse Hochentropiekeramik

Wärmedämmstoffe sind ein wichtiger Bestandteil des Wärmeschutzsystems (TPS) von Hyperschallfahrzeugen. In jüngster Zeit haben hochentropische Keramiken aufgrund ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit aufgrund der Streuung von Phononen durch Mehrkomponenten und verzerrte Gitter große Aufmerksamkeit bei der Wärmedämmung auf sich gezogen. Unter den verschiedenen verfügbaren Optionen haben sich poröse hochentropische Karbidkeramiken (PHEC) aufgrund ihrer inhärenten Eigenschaften wie hoher Schmelzpunkt, ausgezeichnete Hochtemperaturstabilität, geringe Dichte und überlegene Wärmedämmeigenschaften als vielversprechende Kandidaten für TPS herausgestellt.

Im Allgemeinen wurden poröse hochentropische Karbidkeramiken mit verschiedenen Methoden hergestellt, beispielsweise mit Schablonenverfahren, direktem Aufschäumen und partiellem Sintern. Zur Synthese dieser Keramiken werden üblicherweise Metallkarbide oder -oxide als Ausgangsmaterialien mit Festkörperverfahren verwendet. Dies erfordert umfangreiches Mahlen, um die verschiedenen Komponenten zu verteilen, und extrem hohe Verarbeitungstemperaturen, um die Diffusion der Atome zu beschleunigen.

Dieser Ansatz ist jedoch energieintensiv und führt während des Kugelmahlprozesses zu Verunreinigungen, die die Stöchiometrie zerstören und die Konfigurationsentropie beeinflussen. Darüber hinaus führt das Sintern bei hohen Temperaturen zu Kornwachstum und zur Beseitigung nanogroßer Poren, was die Regulierung der Porosität und Porenstruktur der PHEC-Keramik erschwert. Darüber hinaus ist das Formen und Verarbeiten von hochentropischen Carbiden durch diese Festkörpermethode eingeschränkt.

Kürzlich berichtete ein Team von Materialwissenschaftlern unter der Leitung von Haibo Ouyang von der Shaanxi University of Science and Technology in China über die Herstellung, Mikrostruktur, Druckfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit der porösen (Ta0,2Nb0,2Ti0,2Zr0,2Hf0,2)C-Hochentropiekeramik mittels einer selbstaufschäumenden Methode.

Diese Arbeit erklärt nicht nur den Bildungsmechanismus der einzigartigen hierarchischen Porositätsstruktur und die überlegenen Druck- und Wärmedämmeigenschaften der porösen (Ta0,2Nb0,2Ti0,2Zr0,2Hf0,2)C-Hochentropiekeramik, sondern bietet auch eine kostengünstige und einfache Strategie zur Herstellung poröser Ultrahochtemperaturkeramik.

Das Team veröffentlichte seine Arbeit im Zeitschrift für moderne Keramik.

„In diesem Bericht haben wir die poröse (Ta0,2Nb0,2Ti0,2Zr0,2Hf0,2)C-Hochentropiekeramik durch ein Selbstschaumverfahren synthetisiert, bei dem wir handelsübliches Metallchlorid und Furfurylalkohol als Vorläufer verwendeten. Dieses Verfahren wurde durch das Selbstschaumverhalten von FA inspiriert.

„Der Polymerschaum, der Elemente wie Ti, Zr, Ta, Nb und Hf enthält, kann durch Selbstkondensation von FA unter Verwendung von Metallchloriden als Katalysatoren hergestellt werden. Der Polymerschaum verwandelt sich durch Pyrolyse und carbothermische Reduktionsprozesse in poröse Keramik“, sagte Haibo Ouyang, Professor an der School of Materials Science and Engineering der Shaanxi University of Science and Technology.

„Die PHEC-Keramik besteht aus Mikrokugeln mit einer Größe von 2 µm, was zu einer hohen Porosität von 91,3 % und einem miteinander verbundenen Rahmen führt. Diese Mikrokugeln bestehen aus hochentropischen Karbidkörnern (20 nm), was zu zahlreichen Grenzflächen und nanogroßen Poren in der PHEC-Keramik führt“, sagte Ouyang.

„Aufgrund ihrer einzigartigen hierarchischen Struktur weist die hergestellte PHEC-Keramik eine hervorragende Druckfestigkeit (28,1 ± 2 MPa) und eine außergewöhnlich niedrige Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur (0,046 W·m−1·K−1) auf. Dies macht sie zu einem vielversprechenden Wärmedämmstoff für Anwendungen bei ultrahohen Temperaturen“, sagte Ouyang.

Es bedarf jedoch noch weiterer Forschung, um die Oxidationsbeständigkeit der porösen (Ta0,2Nb0,2Ti0,2Zr0,2Hf0,2)C-Hochentropiekeramik als neues Wärmedämmmaterial zu untersuchen.

Weitere Mitwirkende sind Cuiyan Li, Ruinan Gao, Tianzhan Shen, Zihao Chen und Yanlei Li von der School of Materials Science and Engineering der Shaanxi University of Science and Technology, China.