混合纳米材料有望改善陶瓷复合材料

Wright-Patterson空军基地的研究人员正在寻求一种新颖的工艺专利，该工艺用于制造一种类型的材料，称为陶瓷陶瓷接枝的纳米颗粒或“毛状纳米颗粒”(HNP)。

HNP是一种杂化材料，由结合到固体纳米颗粒核的聚合物壳组成。聚合物(一连串的重复分子)在纳米颗粒周围形成“头发”，大约相当于小型病毒的大小。

尽管HNP已经存在了很多年，但使这一点与众不同的是附着在核心颗粒上的聚合物的类型。它是一种预陶瓷聚合物，是用于形成高性能陶瓷纤维和复合材料的一类特殊聚合物。

项目负责人Matthew Dickerson博士说：“我们工艺中使用的特殊聚合物使我们的工作与众不同。” “研究人员过去曾制造过这种有毛的纳米粒子，但他们使用的是聚苯乙烯等有机聚合物。我们的聚合物与众不同;它是无机的，因为它含有硅。它有点像具有硅骨架的有机硅(填缝料)和氧重复，但我们的骨干有硅和碳重复。”

陶瓷材料和加工研究团队的成员，从左至右：克里斯蒂娜·汤普森女士，代顿街博士，卡拉·马丁博士和马修·迪克森博士。图片来源：美国空军合影/ Karen Schlesinger

这种硅和碳的化学性质使聚合物在加热到高温时可以转变为碳化硅陶瓷。

这种特殊工艺产生的HNP将用于制造由陶瓷复合材料制成的飞机零件。迪克森说：“陶瓷复合材料用于美国空军的高温应用，其受益于密度低于金属的材料，包括喷气发动机和高超音速车辆部件。” “我们针对这些类型的应用设想了我们合成的HNP。”

但是，这种特殊的杂化材料并不是通过简单地将聚合物和纳米颗粒混合在一起并希望达到最佳效果而制成的。迪克森说：“简单的混合物会产生类似腻子或脆性的混合物，但是最终我们得到的混合材料却像糖蜜一样流动，因此它更容易流入多孔陶瓷中。”

在陶瓷基复合材料的制造过程中，用于将陶瓷纤维粘合在一起的材料会大大收缩。这种收缩导致必须重新填充或渗透的裂缝和空隙。由HNP制成的混合材料最重要的要求之一是，它必须易于流动，以便能够渗入这些空隙。

使用当前的最新工艺，陶瓷必须经历几次渗透(六到十次)渗透才能达到所需的密度。专利申请以及最近在《材料化学》上发表的一篇论文中描述的新方法所产生的材料可以潜在地将渗透循环次数减少约一半，从而实现更具成本效益，更快的生产速度。生产组件。

即使陶瓷复合材料具有比常规金属部件更高的高温性能，降低其成本仍是使其能够在要求苛刻的空军应用中广泛使用的关键。

该项目由空军科研办公室资助。AFOSR计划官Pan Ming-Jen Pan博士说：“这项研究是陶瓷纳米复合材料合成的一项重大技术进步。它为混合材料的纳米结构提供了前所未有的控制。我为这一发现为未来复合材料的设计和加工带来的可能性感到兴奋。”

收到了额外的资金，以研究材料的化学性质如何决定其性能。

迪克森说：“这是一个困难的项目。花了将近三年的时间才把它做好。” 他说：“对于卡拉来说，这是一次真正的胜利。”他指的是研究科学家卡拉·马丁博士。“开发化学合成程序以制造这些颗粒是非常困难的。她的新想法和坚韧使她能够看到该项目取得成功。”