Kohlefaserverstärkter Kohlenstoff (C/C) ist ein Verbundwerkstoff aus kohlefaserverstärktem Kohlenstoff in einer Matrix aus Glaskohlenstoff oder Graphit. Es ist vor allem als Material bekannt, das in Hyperschallfahrzeugen und Space Shuttle Orbitern verwendet wird, die mit Geschwindigkeiten von mehr als Mach 5 unterwegs sind. Seit den 1970er Jahren wird es auch im Bremssystem von Formel-1-Rennwagen verwendet. Obwohl CFC hervorragende mechanische Eigenschaften bei hohen Temperaturen und inerten Atmosphären aufweist, fehlt es ihm unter diesen Bedingungen an Oxidationsbeständigkeit, was seine weit verbreitete Verwendung begrenzt.
Forscher haben herausgefunden, dass Ultrahochtemperaturkeramiken (UHTCs), zu denen Übergangsmetallcarbide und -diboride gehören, eine gute Oxidationsbeständigkeit aufweisen. In früheren Studien hat die Zirkonium-Titan (Zr-Ti)-Legierungsinfiltration vielversprechende Ergebnisse zur Verbesserung der Hitzebeständigkeit von kohlefaserverstärkten UHTC-Matrix-Verbundwerkstoffen (C/UHTCMCs) gezeigt. Ihre Verwendung bei hohen Temperaturen (>2000 oC) ist jedoch nicht bekannt.
Vor diesem Hintergrund hat eine Gruppe von Forschern aus Japan den potenziellen Nutzen von mit Zr-Ti-Legierung infiltrierten C/UHTCMCs bei Temperaturen über 2000 oC bewertet. Ihre Studie unter der Leitung von Junior Associate Professor Ryo Inoue von der Tokyo University of Science (TUS) wurde in veröffentlicht Zeitschrift für Materialwissenschaft und am 27. Oktober 2022 online verfügbar gemacht.
Das Forschungsteam bestand aus Herrn Noriatsu Koide und Assistenzprofessor Yutaro Arai von der TUS, Professor Makoto Hasegawa von der Yokohama National University und Dr. Toshiyuki Nishimura vom National Institute for Materials Science.
Zur Motivation hinter ihrer Studie: „Die Forschung ist eine Erweiterung der Forschung und Entwicklung von Keramik und keramikbasierten Verbundwerkstoffen. In den letzten Jahren haben wir von mehreren Herstellern der Schwerindustrie Anfragen zu Materialien erhalten, die bei Temperaturen verwendet werden können über 2000 °C. Wir haben auch begonnen, mit diesen Herstellern zusammenzuarbeiten, um neue Materialien zu entwickeln“, sagt Prof. Inoue.
Das C/UHTCMC wurde mittels Schmelzinfiltration hergestellt, was die kostengünstigste Methode zur Herstellung dieser Materialien darstellt. Um die Anwendbarkeit dieses Materials zu untersuchen, wurden drei Arten von C/UHTCMCs mit drei verschiedenen Legierungszusammensetzungen hergestellt. Die drei verwendeten Legierungszusammensetzungen hatten unterschiedliche Atomverhältnisse von Zr:Ti.
Um die Hitzebeständigkeit zu charakterisieren, verwendete das Team eine Methode namens Lichtbogen-Windkanal-Tests. Bei dieser Methode wird das Material in einem Tunnel einem Luftstrom mit extrem hoher Enthalpie ausgesetzt, ähnlich den Bedingungen, denen Raumfahrzeuge beim Wiedereintritt in die Atmosphäre ausgesetzt sind.
Das Team fand heraus, dass die Zr-Menge in der Legierung bei allen Temperaturen einen starken Einfluss auf den Abbau des Verbundwerkstoffs hatte. Dies liegt an der thermodynamischen Bevorzugung der Oxidation von Zr-reichen Carbiden im Vergleich zu Ti-reichen Carbiden.
Ferner verhinderten die auf der Verbundstoffoberfläche gebildeten Zr- und Ti-Oxide eine weitere Oxidation, und die Oxidzusammensetzung hing von der Zusammensetzung der infiltrierten Legierungen ab. Die thermodynamische Analyse ergab, dass die auf der Verbundstoffoberfläche gebildeten Oxide aus festen Lösungen von ZrO2, ZrTiO4 und TiO2 bestanden.
Bei Temperaturen über 2000 oC nahmen die Dicke und das Gewicht der Proben mit dem Zr-Gehalt der Verbundwerkstoffe nach den Lichtbogen-Windkanal-Tests zu. Das Team beobachtete auch, dass der Schmelzpunkt der Oberflächenoxide mit zunehmendem Zr-Gehalt zunahm. Bei Temperaturen über 2600 oC waren die einzigen gebildeten Oxide flüssige Phasen, was ein thermodynamisches Design der Matrixzusammensetzung erforderte, um die Rezession von UHTC-Verbundwerkstoffen zu verhindern.
„Wir haben den Abbau von C/UHTCMC bei Temperaturen über 2000 °C mithilfe thermodynamischer Analysen erfolgreich untersucht. Wir haben auch gezeigt, dass das Matrixdesign modifiziert werden muss, um den Abbau der Verbundwerkstoffe zu verhindern. Unsere Forschung hat das Potenzial, zur Realisierung von Ultra beizutragen -Hochgeschwindigkeits-Passagierflugzeuge, Wiedereintrittsfahrzeuge und andere Hyperschallfahrzeuge“, schließt Prof. Inoue.
Diese Ergebnisse könnten wichtige Konsequenzen für die Produktion fortschrittlicher Raumfähren-Orbiter und Hochgeschwindigkeitsfahrzeuge haben.
Mehr Informationen:
Noriatsu Koide et al, Abbau von kohlefaserverstärkten Ultrahochtemperatur-Keramikmatrix-Verbundwerkstoffen bei extrem hoher Temperatur unter Verwendung von Lichtbogen-Windkanal-Tests, Zeitschrift für Materialwissenschaft (2022). DOI: 10.1007/s10853-022-07861-x