Guangzhou Üniversitesi Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Fakültesi’nden Çinli bilim insanları havacılık, enerji ve kimya mühendisliği alanlarında devrim yaratabilecek yeni bir gözenekli seramik geliştirdi. Çin medyasına göre malzeme yüksek mekanik dayanıma ve hipersonik uçaklar (Mach 5-10 / 6,173–12,348 km/s) için de ideal olabilecek mükemmel ısı yalıtım özelliklerine sahip. Benzer bir teknolojiyi ilk defa NASA, Space Shuttle programındaki uzay mekiklerinde kullanmıştı. Gözenekli seramik malzemeler hafiflikleri, kimyasal olarak inert olmaları ve düşük ısı iletkenlikleri nedeniyle ısı yalıtımı için giderek daha fazla rağbet görüyor. Bununla birlikte gözenekli seramiklerde yüksek mekanik mukavemet ve ısı yalıtımı elde etmek zordur çünkü daha fazla gözenek tipik olarak mekanik mukavemetin azalmasına neden olmakta.
Hipersonik uçaklar için önemli bir gelişme
Geleneksel gözenekli malzemeler yüksek sıcaklıklarda güç kaybedip büzüşebildiğinden havacılık ve uzay uygulamaları için uygun değillerdir. Bu amaçla, Guangzhou Üniversitesi Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Okulu’ndan bir ekip, geleneksel seramiklerin sınırlamalarının üstesinden gelen yeni bir seramik türü geliştirdi. Geliştirilen seramik çok ölçekli bir yapısal tasarıma sahip ve ekip bulgularını 2 Ocak’ta hakemli Advanced Materials dergisinde yayınladı.
9PHEB olarak adlandırılan seramik, olağanüstü boyut ve 2.000 santigrat dereceye kadar mukavemet tutma özelliği gösteriyor ve bu da onu aşırı koşullarda kullanıma uygun hale getiriyor. En azından Çinli bilim insanları bu ifadeleri kullanıyor. 9PHEB veya 9 katyonlu gözenekli yüksek entropili diborür, yüksek entropi konseptine dayalı dokuz bileşenin karıştırılmasıyla oluşturulmuş durumda. Bunların da hepsi katyonik yapıda, yani tümü pozitif yüklü iyonlardan oluşuyor.
Araştırma makalesinde 9PHEB adlı seramiğin yaklaşık yüzde 50 gözenekliliğe sahip olduğu belirtilirken oda sıcaklığındaki basınç dayanımının ise yaklaşık 337 milyon pascal (MPa) olduğu belirtiliyor. Bu da onu daha önce bildirilen gözenekli seramiklerden önemli ölçüde daha güçlü kılıyor. Seramik, 1.500 santigrat derecede mukavemetinin %98,5’ini koruyarak yalıtım ve termal stabilite testlerinde iyi performans sergiliyor. 9HPEB, kırılgan geleneksel seramiklerin aksine 2.000 santigrat derecede plastik deformasyon gösteriyor. Malzeme yüksek sıcaklıklarda deforme olduğunda, yüzde 49’luk bir gerilme yaşayarak mukavemetini 690 MPa’ya çıkartıyor, ki bu da başlangıçtaki mukavemetinin iki katından fazla.
Seramiğin mekanik ve termal özelliklerinin, mikro ölçekte ultra ince gözenekler, nano ölçekte yüksek kaliteli arayüzler ve atomik ölçekte ciddi kafes bozulması içeren “çok ölçekli” tasarımından kaynaklandığını belirtiliyor. Araştırmacılara göre, bu özellikler malzemenin mekanik mukavemetini ve ısı yalıtımını artırarak onu aşırı koşullar için uygun hale getiriyor. Şu sıralar gündemde olan hipersonik uçaklar için bu tip ısı kalkanlarına ihtiyaç duyulacak. Dolayısıyla bu malzemeler çok kritik öneme sahip.