Графеновые оболочки с высокой теплопроводностью были введены в керамику SiC/TaC, полученную из полимеров, путем добавления DVB в полимеры. Соответствующее покрытие ZrC–SiC/TaC@C на композитах углерода/углерода с покрытием SiC было изготовлено с помощью SAPS. Графеновая оболочка в покрытии ZrC–SiC/TaC@C имела надежный эффект рассеивания тепла для снижения температуры поверхности примерно до 200 °C под ацетиленовой горелкой с тепловым потоком 2,38 мВт/м2. Графеновая оболочка в покрытии ZrC–SiC/TaC@C задерживала спекание частиц ZrO2, легированных Ta, что приводило к меньшим размерам зерен и формированию более плотного покрытия ZrO2, что еще больше продлевало срок службы против абляции. Кредит: Journal of Advanced Ceramics, Tsinghua University Press
ZrC привлек широкое внимание как материал для антиабляционного покрытия для легких композитов C/C, но он ограничен образующейся пористой и рыхлой пленкой ZrO2. Для решения этой проблемы вводится вторая фаза для улучшения уплотнения образующейся пленки Zr-X-O. Такие как покрытие ZrC-SiC/TaC, образующиеся оксиды с низкой температурой плавления, SiO2 (Tm = 1650 °C), Ta2O5 (Tm = 1800 °C) и Zr6Ta2O17 (Tm = 1900 °C), помогли сформировать плотную пленку оксидов.
Однако высокая рабочая температура вызывает накопление тепла и большой градиент термического напряжения на поверхности покрытий, что приведет к крупным локальным дефектам и ускорит разрушение покрытия.
Для уменьшения накопления абляционного тепла включение наноматериалов с высокой теплопроводностью является эффективной стратегией, но ограничено в практическом применении из-за агломерации. Структура ядро-оболочка выгодна, поскольку она может наделить внешнюю углеродную оболочку хорошей дисперсией и сетью теплопроводности. Однако достижение равномерно распределенной структуры ядро-оболочка в плотном покрытии остается сложной задачей из-за сложности структурного удержания, которая ограничивается сложными процессами подготовки.
Недавно группа ученых из Северо-Западного политехнического университета (Китай) сконструировала полимерный SiC/TaC с графеновой оболочкой и подготовила соответствующее плотное покрытие ZrC-SiC/TaC@C. Эта работа не только объясняет эффект рассеивания тепла углеродной оболочкой в покрытии ZrC–SiC/TaC на улучшение его защитной способности от сверхвысокотемпературной абляции, но и дает конструктивную идею о том, что улучшение сопротивления абляции можно улучшить за счет включения углеродных наноматериалов.
Группа опубликовала свою работу в Journal of Advanced Ceramics 30 июля 2024 года.
«В этом отчете мы спроектировали и построили теплопроводящую наносетку со структурой керамического и углеродного ядра и оболочки. Полимерный SiC/TaC с графеновой углеродной оболочкой был синтезирован и введен в покрытие ZrC с помощью сверхзвукового атмосферного плазменного напыления. Включение углеродных наноматериалов с высокой теплопроводностью может снизить температуру поверхности абляционных покрытий, а затем уменьшить накопление абляционного тепла.
«Температуры поверхности покрытий ZrC–SiC/TaC@C и ZrC–SiC/TaC достигают 2032 и 2224 °С соответственно, что соответствует разнице температур около 200 °С. По сравнению с температурой покрытия ZrC–SiC/TaC Покрытие Rl покрытия ZrC–SiC/TaC@C ниже, всего 0,009 мкм/с, снижение на 93,7%», — сказал Цзя Сунь из Школы материалов Северо-Западного политехнического университета (Китай), старший эксперт. чьи исследовательские интересы сосредоточены в области высокотемпературных керамических материалов.
В число других авторов входят Юй Чжан, Сюэмэн Чжан, Хункан Оу, Цянган Фу из Школы материалов Северо-Западного политехнического университета в Сиане, Китай. ; Божэ Ван из Института системного проектирования Хубэйской академии аэрокосмических технологий в Ухане, Китай.
Дополнительная информация: Юй Чжан и др., Тепловыделение углеродной оболочки. в покрытии ZrC–SiC/TaC для улучшения защитной способности против сверхвысокой температуры, Журнал Advanced Ceramics (2024). DOI: 10.26599/JAC.2024.9220921
Предоставлено издательством Университета Цинхуа
