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Compuesto de matriz cerámica de temperatura ultraalta

Los compuestos de matriz cerámica de temperatura ultraalta ( UHTCMC ) son una clase de compuestos de matriz cerámica refractarios (CMC) con puntos de fusión significativamente más altos que el de los CMC típicos. [1] Entre otras aplicaciones, son objeto de una amplia investigación en el campo de la ingeniería aeroespacial por su capacidad para soportar calor extremo durante períodos prolongados de tiempo, una propiedad crucial en aplicaciones como sistemas de protección térmica (TPS) y toberas de cohetes . El carbono reforzado con fibra de carbono (C/C) mantiene su integridad estructural hasta 2000 °C; [2] sin embargo, el C/C se utiliza principalmente como material ablativo , diseñado para erosionarse deliberadamente bajo temperaturas extremas con el fin de disipar energía. Los compuestos de matriz de carburo de silicio reforzados con fibra de carbono ( C/SiC ) y los compuestos de matriz de carburo de silicio reforzados con fibra de carburo de silicio ( SiC/SiC ) se consideran materiales reutilizables porque el carburo de silicio es un material duro con una baja erosión y forma una capa de vidrio de sílice durante la oxidación que evita una mayor oxidación del material interno. Sin embargo, por encima de una determinada temperatura (que depende de las condiciones ambientales de la presión parcial de oxígeno), comienza la oxidación activa de la matriz de carburo de silicio a monóxido de silicio gaseoso ( SiO (g) ), con la consiguiente pérdida de protección contra una mayor oxidación, lo que conduce al material a una erosión rápida e incontrolada. Por este motivo, se utilizan C/SiC y SiC/SiC en el rango de temperatura entre 1200° y 1400 °C.

Por un lado, los CMC son materiales ligeros con una alta relación resistencia-peso incluso a altas temperaturas, alta resistencia al choque térmico y tenacidad, pero sufren erosión durante el servicio. Por otro lado, las cerámicas a granel hechas de cerámicas de temperatura ultraalta (por ejemplo, ZrB 2 , HfB 2 o sus compuestos) son materiales duros que muestran baja erosión incluso por encima de los 2000 °C, pero son pesados ​​y sufren fracturas catastróficas y baja resistencia al choque térmico en comparación con los CMC. La falla es fácil bajo cargas mecánicas o termomecánicas debido a grietas iniciadas por pequeños defectos o rasguños. La posibilidad de obtener componentes reutilizables para el campo aeroespacial basados ​​en la matriz UHTC en compuestos reforzados con fibra aún está bajo investigación.

La Comisión Europea financió un proyecto de investigación, C3HARME, [3] [4] bajo la convocatoria NMP-19-2015 de los Programas Marco de Investigación y Desarrollo Tecnológico en 2016 (aún en curso) para el diseño, desarrollo, producción y prueba de una nueva clase de compuestos de matriz cerámica ultrarrefractarios reforzados con fibras de carburo de silicio y fibras de carbono adecuados para aplicaciones en entornos aeroespaciales severos como posibles materiales de sistema de protección térmica (TPS) de ablación cercana a cero (por ejemplo, escudo térmico ) y para propulsión (por ejemplo, boquilla de cohete). [5] [6] La demanda de materiales avanzados reutilizables con capacidad de temperatura superior a 2000 °C ha estado creciendo. [7] [8] [9] Recientemente, se han investigado compuestos basados ​​en boruro de circonio reforzados con fibra de carbono obtenidos por infiltración de lechada (SI) y sinterización. [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20]

Avances en la investigación

La Comisión Europea financió un proyecto de investigación, C3HARME, bajo la convocatoria NMP-19-2015 de los Programas Marco de Investigación y Desarrollo Tecnológico en 2016 (aún en curso) para el diseño, desarrollo, producción y prueba de una nueva clase de compuestos de matriz cerámica ultrarrefractaria reforzados con fibras de carburo de silicio y fibras de carbono adecuados para aplicaciones en entornos aeroespaciales severos. [21]

Referencias

  1. ^ Marumo, Tomoki; Koide, Noriatsu; Arai, Yutaro; Nishimura, Toshiyuki; Hasegawa, Makoto; Inoue, Ryo (octubre de 2022). "Caracterización de compuestos de matriz cerámica de temperatura ultraalta reforzados con fibra de carbono fabricados mediante infiltración en fusión de aleación Zr-Ti". Revista de la Sociedad Europea de Cerámica . 42 (13): 5208–5219. doi :10.1016/j.jeurceramsoc.2022.06.040. S2CID  249838869 . Consultado el 12 de diciembre de 2023 .
  2. ^ Cheng, Tianbao; Zhang, Rubing; Pei, Yongmao; He, Rujie; Fang, Daining; Yang, Yazheng (12 de junio de 2019). "Propiedades de flexión de compuestos carbono-carbono a temperaturas de hasta 2600 °C". Materials Research Express . 6 (8). Bibcode :2019MRE.....6h5629C. doi :10.1088/2053-1591/ab23c9. S2CID  181325974 . Consultado el 12 de diciembre de 2023 .
  3. ^ "c³harme". www.c3harme.eu .
  4. ^ Sciti, Diletta; Silvestroni, Laura; Monteverde, Frédéric; Vinci, Antonio; Zoli, Luca (17 de octubre de 2018). "Introducción al proyecto H2020 C3HARME: compuestos cerámicos de próxima generación para entornos de combustión hostiles y el espacio". Avances en cerámica aplicada . 117 (sup1): s70–s75. Código Bibliográfico :2018AdApC.117S..70S. doi : 10.1080/17436753.2018.1509822 . ISSN  1743-6753.
  5. ^ Sciti, D.; Zoli, L.; Silvestroni, L.; Cecere, A.; Martino, GD Di; Savino, R. (2016). "Diseño, fabricación y pruebas de soplete de oxicombustible de alta velocidad de una boquilla de fibra de C f -ZrB 2 para evaluar su potencial en motores de cohetes". Materiales y diseño . 109 : 709–717. doi :10.1016/j.matdes.2016.07.090.
  6. ^ Mungiguerra, Stefano; Di Martino, Giuseppe D.; Savino, Raffaele; Zoli, Luca; Sciti, Diletta; Lagos, Miguel A. (8 de julio de 2018). "Compuestos de matriz cerámica de temperatura ultraalta en un entorno de propulsión de cohetes híbridos". Conferencia internacional de ingeniería de conversión de energía de 2018. Reston, Virginia: Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica. doi :10.2514/6.2018-4694. ISBN . 9781624105715.
  7. ^ Sziroczak, D.; Smith, H. (2016). "Una revisión de los problemas de diseño específicos de los vehículos de vuelo hipersónico". Progreso en las ciencias aeroespaciales . 84 : 1–28. Bibcode :2016PrAeS..84....1S. doi :10.1016/j.paerosci.2016.04.001. hdl : 1826/10119 .
  8. ^ Vinci, Antonio; Zoli, Luca; Sciti, Diletta; Watts, Jeremy; Hilmas, Greg E.; Fahrenholtz, William G. (abril de 2019). "Comportamiento mecánico de compuestos de TaC/SiC y ZrC/SiC reforzados con fibra de carbono hasta 2100 °C". Revista de la Sociedad Cerámica Europea . 39 (4): 780–787. doi :10.1016/j.jeurceramsoc.2018.11.017. ISSN  0955-2219. S2CID  139993345.
  9. ^ Mungiguerra, S.; Di Martino, GD; Cecere, A.; Savino, R.; Silvestroni, L.; Vinci, A.; Zoli, L.; Sciti, D. (abril de 2019). "Caracterización en túnel de viento de chorro de arco de compuestos de matriz cerámica de temperatura ultraalta". Ciencia de la corrosión . 149 : 18-28. doi :10.1016/j.corsci.2018.12.039. ISSN  0010-938X. S2CID  139421458.
  10. ^ Zoli, L.; Sciti, D. (2017). "Eficacia de una matriz ZrB2-SiC para proteger las fibras de carbono de la oxidación en nuevos materiales UHTCMC". Materiales y diseño . 113 : 207–213. doi :10.1016/j.matdes.2016.09.104.
  11. ^ Zoli, L.; Vinci, A.; Silvestroni, L.; Sciti, D.; Reece, M.; Grasso, S. (2017). "Sinterización rápida por plasma con chispa para producir UHTC densos reforzados con fibras de carbono intactas". Materiales y diseño . 130 : 1–7. doi :10.1016/j.matdes.2017.05.029.
  12. ^ Galizia, Pietro; Failla, Simone; Zoli, Luca; Sciti, Diletta (2018). "UHTCMC de Cf/ZrB2 inspirados en salami resistentes producidos por deposición electroforética". Revista de la Sociedad Cerámica Europea . 38 (2): 403–409. doi :10.1016/j.jeurceramsoc.2017.09.047.
  13. ^ Vinci, Antonio; Zoli, Luca; Sciti, Diletta; Melandri, Cesare; Guicciardi, Stefano (2018). "Comprensión de las propiedades mecánicas de los nuevos UHTCMC mediante análisis de árboles de regresión y bosques aleatorios". Materiales y diseño . 145 : 97–107. doi :10.1016/j.matdes.2018.02.061.
  14. ^ Zoli, L.; Medri, V.; Melandri, C.; Sciti, D. (2015). "Compuestos continuos de fibras de SiC y ZrB2". Revista de la Sociedad Cerámica Europea . 35 (16): 4371–4376. doi :10.1016/j.jeurceramsoc.2015.08.008.
  15. ^ Sciti, D.; Murri, A. Natali; Medri, V.; Zoli, L. (2015). "Compuestos de fibra de carbono continua con una matriz de ZrB 2 porosa". Materiales y diseño . 85 : 127–134. doi :10.1016/j.matdes.2015.06.136.
  16. ^ Sciti, D.; Pienti, L.; Murri, A. Natali; Landi, E.; Medri, V.; Zoli, L. (2014). "Desde fibras de SiC continuas cortadas al azar hasta fibras de SiC continuas orientadas: compuestos ZrB2". Materiales y diseño . 63 : 464–470. doi :10.1016/j.matdes.2014.06.037.
  17. ^ Vinci, Antonio; Zoli, Luca; Sciti, Diletta (septiembre de 2018). "Influencia del contenido de SiC en la oxidación de compuestos de ZrB2/SiC reforzados con fibra de carbono a 1500 y 1650 °C en aire". Revista de la Sociedad Cerámica Europea . 38 (11): 3767–3776. doi :10.1016/j.jeurceramsoc.2018.04.064. ISSN  0955-2219. S2CID  139815518.
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  20. ^ Zoli, Luca; Vinci, Antonio; Galizia, Pietro; Melandri, Cesare; Sciti, Diletta (14 de junio de 2018). "Sobre la resistencia al choque térmico y las propiedades mecánicas de los nuevos UHTCMC unidireccionales para entornos extremos". Scientific Reports . 8 (1): 9148. Bibcode :2018NatSR...8.9148Z. doi : 10.1038/s41598-018-27328-x . ISSN  2045-2322. PMC 6002483 . PMID  29904145. 
  21. ^ "C3HARME".