Nanotubos de carburo de silicio unidos a fibras de carburo de silicio separadas, utilizado por la NASA, se enredan en esta imagen de microscopio electrónico. El material creado en la Universidad de Rice está destinado a un compuesto cerámico que haría más fuertes los motores de cohetes, más ligero y más capaz de soportar el calor extremo. Crédito:Grupo de Investigación Ajayan / Universidad Rice
Para resistir el calor y la presión de los motores de cohetes de próxima generación, las fibras compuestas utilizadas para hacerlos deben ser borrosas.
El laboratorio de científicos de materiales de la Universidad de Rice Pulickel Ajayan, en colaboración con la NASA, ha desarrollado "fibras difusas" de carburo de silicio que actúan como velcro y resisten el castigo que experimentan los materiales en aplicaciones aeroespaciales.
Las fibras refuerzan los compuestos utilizados en motores de cohetes avanzados que tienen que soportar temperaturas de hasta 1, 600 grados Celsius (2, 912 grados Fahrenheit). Los compuestos cerámicos en los cohetes que se están desarrollando ahora utilizan fibras de carburo de silicio para fortalecer el material, pero pueden agrietarse o volverse frágiles cuando se exponen al oxígeno.
El laboratorio de Rice incrustó nanotubos y nanocables de carburo de silicio en la superficie de las fibras de la NASA. Las partes expuestas de las fibras son rizadas y actúan como los ganchos y lazos que hacen que el velcro sea tan valioso, pero a nanoescala.
El resultado, según los investigadores principales Amelia Hart, un estudiante graduado de Rice, y Chandra Sekhar Tiwary, un asociado postdoctoral de Rice, crea conexiones entrelazadas muy fuertes donde las fibras se enredan; esto no solo hace que el compuesto sea menos propenso a agrietarse, sino que también lo sella para evitar que el oxígeno cambie la composición química de la fibra.
A la izquierda se muestra una fibra de carburo de silicio mejorada con una alfombra de nanotubos de carburo "difusos" creados en la Universidad de Rice. La misma fibra con pelusa intacta aparece a la derecha después de que los investigadores la quemaron con un encendedor. Crédito:Grupo de Investigación Ajayan / Universidad Rice
El trabajo se detalla en la revista American Chemical Society Materiales e interfaces aplicados .
El trabajo comenzó cuando Hart, que había estado estudiando el crecimiento de nanotubos de carbono en lana cerámica, conocí a Michael Meador, luego científico del Centro de Investigación Glenn de la NASA, Cleveland, en la recepción inaugural del Departamento de Ciencia de Materiales y Nanoingeniería de Rice. (Meador es ahora gerente de proyectos de nanotecnología en el programa Game Changing Technologies de la NASA).
Eso la llevó a obtener una beca en Cleveland y la oportunidad de combinar sus ideas con las de la ingeniera de investigación de la NASA y coautora del artículo, Janet Hurst. "Ella estaba convirtiendo parcialmente el carburo de silicio a partir de nanotubos de carbono, ", Dijo Hart." Usamos su formulación y mi capacidad para hacer crecer nanotubos y descubrimos cómo hacer el nuevo compuesto ".
De vuelta en Rice, Hart y sus colegas hicieron crecer sus ganchos y bucles bañando primero fibra de carburo de silicio en un catalizador de hierro y luego usando deposición de vapor químico asistida por agua. un proceso desarrollado en parte en Rice, para incrustar una alfombra de nanotubos de carbono directamente en la superficie. Estos se convierten en la plantilla para el producto final. Luego, las fibras se calentaron en nanopolvo de silicio a alta temperatura, que convierte los nanotubos de carbono en "pelusa" de carburo de silicio.
Los investigadores esperan que sus fibras difusas mejoren el fuerte, fibras de carburo de silicio ligeras y resistentes al calor que, cuando se coloca en compuestos cerámicos, se están probando para boquillas robustas y otras partes en motores de cohetes. "La fibra de carburo de silicio que ya utilizan es estable a 1, 600 C, ", Dijo Tiwary." Así que estamos seguros de que unir nanotubos y cables de carburo de silicio para agregar resistencia lo hará aún más innovador ".
Amelia Hart, estudiante de posgrado de la Universidad de Rice, sostiene fibras de carburo de silicio 'difusas' mejoradas con nanotubos de carburo de silicio que se enredan entre sí cuando se colocan dentro de un compuesto cerámico y agregan fuerza y resistencia al calor extremo. Crédito:Grupo de Investigación Ajayan / Universidad Rice
Los nuevos materiales también deberían hacer que los motores turbo completos sean significativamente más livianos, Hart dijo. "Antes de que usaran compuestos de carburo de silicio, muchas piezas del motor estaban hechas de superaleaciones de níquel que debían incorporar un sistema de refrigeración, que añadió peso a todo el asunto, ", dijo." Al cambiar a compuestos de matriz cerámica, podrían sacar el sistema de enfriamiento e ir a temperaturas más altas. Nuestro material permitirá la creación de turborreactores de mayor duración que alcanzan temperaturas más altas que nunca ".
Las pruebas de fricción y compresión mostraron que la fuerza lateral necesaria para mover los nanotubos de carburo de silicio y los cables entre sí era mucho mayor que la necesaria para deslizarse entre nanotubos simples o fibras no mejoradas. informaron los investigadores. También pudieron recuperarse fácilmente de la alta compresión aplicada con un nano-indentador, que mostró su capacidad para resistir la descomposición durante períodos de tiempo más prolongados.
Las pruebas para ver qué tan bien las fibras manejan el calor mostraron nanotubos de carbono simples que se queman lejos de las fibras, pero los nanotubos de carburo de silicio resistieron fácilmente temperaturas de hasta 1, 000 C.
Hart dijo que el próximo paso será aplicar sus técnicas de conversión a otros nanomateriales de carbono para crear materiales tridimensionales únicos para aplicaciones adicionales.
