萊斯大學與NASA合作開發(fā)碳化硅“fuzzy纖維”

可使渦輪引擎明顯減輕
  萊斯大學與NASA合作，開發(fā)出了像“魔術貼”一樣的碳化硅“fuzzy纖維”，它可以經(jīng)得起材料在航空航天領域的試驗，其耐熱性、抗氧化性能力突出。

該電子顯微鏡圖像顯示了附著到分離的碳化硅纖維上的碳化硅納米管是如何彼此纏結的。

在《應用材料和界面》里的一篇論文中，研究人員報告說，這種纖維可以增強應用在先進火箭引擎的復合材料，可以承受的溫度高達1600°C(2912°F)。

目前正在開發(fā)的火箭中的陶瓷復合材料使用碳化硅纖維來增強材料，但是當暴露于氧氣時它們會破裂或變脆。萊斯實驗室將碳化硅納米管和納米線嵌入到NASA纖維表面。

納米管和納米線是卷曲的，像鉤和環(huán)，它使得“魔術貼”變得很有價值- 但這僅在納米級。根據(jù)首席研究員一名水稻研究生Amelia Hart的說法和博士后Chandra SekharTiwary說，它們在纖維纏結處有非常強力的互鎖連接。

這不僅使得復合材料不容易開裂，而且還將其密封以防止氧氣改變纖維的化學組成。

當Hart(她一直在研究碳納米管在陶瓷毛織物上的生長)遇上了 Michael Meador(他是NASA在克利夫蘭的Glenn研究中心的科學家)，他們在萊斯材料科學和納米工程部的開幕式上開始了這份研究。(Meador現(xiàn)在是美國宇航局游戲變革技術項目的納米技術項目經(jīng)理。)

這使得Hart有機會把她的想法與NASA研究工程師和論文合作者珍妮特•赫斯特(Janet Hurst)一起分享。

Hart說：“她正在從碳納米管部分轉化出碳化硅”，她還說：”我們用她的配方和我的生長納米管的能力，并想出了如何使新的復合材料。”

Hart和她的同事通過首先在鐵催化劑中浸泡碳化硅纖維然后使用水輔助化學氣相沉積生長出了鉤和環(huán)，這項工藝部分在萊斯開發(fā)，它可以直接把一層碳納米管嵌入到纖維表面上。

然后在高溫下在硅納米粉末中加熱纖維，將碳納米管轉化成碳化硅“絨毛”。

研究人員希望他們的“fuzzy纖維”能升級成強度高，輕質(zhì)和耐熱的碳化硅纖維，這些纖維被加入到陶瓷復合材料中，在火箭發(fā)動機中測試了堅固的噴嘴和其他部件。

Tiwary說：“因為他們正在使用的碳化硅纖維在1600°C下很穩(wěn)定，所以我們相信，通過附著上碳化硅納米管和納米線來增強將使它更加尖端。”

新材料還可以使整個渦輪引擎明顯減輕。Hart說：“在他們使用碳化硅復合材料之前，許多發(fā)動機部件都是由鎳超合金制成的，這些鎳合金必須結合一個冷卻系統(tǒng)，這增加了整個系統(tǒng)的重量。”“通過使用陶瓷基復合材料，他們可以略去冷卻系統(tǒng)并且可以在更高溫度下使用。”

我們的材料將允許制造比以往任何時候都更大、更持久的渦輪噴氣發(fā)動機。摩擦和壓縮測試表明，將碳化硅納米管和納米線彼此移動所需的橫向力大大超過滑過平面納米管或沒有添加增強纖維所需的力。

fuzzy纖維同樣能在納米壓頭施加的巨大壓力下輕松復原，這表明它們有能力抵抗長時間的荷載。纖維的熱處理測試表明，當普通碳納米管從纖維上燃燒時，碳化硅納米管很容易抵抗高達1000°C的溫度。