Ultrahochtemperatur-Keramikmatrix-Verbundwerkstoff - Ultra high temperature ceramic matrix composite
Ultrahochtemperatur-Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe ( UHTCMC ) oder Ultrahochtemperatur- Keramikverbundwerkstoffe ( UHTCC ) sind eine Klasse von feuerfesten Keramikmatrix-Verbundwerkstoffen ( CMCs ), die die Grenzen der derzeit verwendeten CMCs (C/C und C/ SiC) in der Luft- und Raumfahrt als Wärmeschutzsysteme (TPS) und Raketendüsen . Kohlefaserverstärkte Kohlenstoffmatrix ( C/C ) kann bis 3000 °C verwendet werden, da Kohlenstoff das Element mit dem höchsten Schmelzpunkt ist, C/C sind jedoch ablative Materialien, die selbst Energie verbrauchen. Kohlefaserverstärkte Siliziumkarbid-Matrix-Verbundwerkstoffe ( C/SiC ) und Siliziumkarbid-faserverstärkte Siliziumkarbid-Matrix-Verbundwerkstoffe ( SiC/SiC ) gelten als wiederverwendbare Materialien, da Siliziumkarbid ein hartes Material mit geringer Erosion ist und während der Oxidation eine Quarzglasschicht bildet was eine weitere Oxidation des Innenmaterials verhindert. Leider beginnt ab einer bestimmten Temperatur (abhängig von den Umgebungsbedingungen des Sauerstoffpartialdrucks) die aktive Oxidation der Siliziumkarbidmatrix zu gasförmigem Siliziummonoxid ( SiO (g) ), folglich der Verlust des Schutzes vor weiterer Oxidation, was das Material zu einer unkontrollierten und schnelle Erosion. Aus diesem Grund werden C/SiC und SiC/SiC im Temperaturbereich zwischen 1200° - 1400 °C eingesetzt.
Einerseits sind CMCs leichte Werkstoffe mit hohem Festigkeits-Gewichts-Verhältnis auch bei hohen Temperaturen, hoher Temperaturwechselbeständigkeit und Zähigkeit, leiden aber im Betrieb unter Erosion. Auf der anderen Seite sind Massenkeramiken aus UHTCs (z. B. ZrB 2 , HfB 2 oder deren Verbundwerkstoffe) harte Materialien, die auch über 2000 °C eine geringe Erosion zeigen, aber UHTCs sind schwer und leiden im Vergleich zu CMCs unter katastrophalem Bruch und geringer Temperaturwechselbeständigkeit . Unter mechanischen oder thermomechanischen Belastungen kommt es leicht zu einem Versagen aufgrund von Rissen, die durch kleine Defekte oder Kratzer verursacht werden. Die Möglichkeit, wiederverwendbare Komponenten für den Luft- und Raumfahrtbereich basierend auf UHTC-Matrix in faserverstärkte Verbundwerkstoffe zu erhalten, wird noch untersucht.
Die Europäische Kommission finanzierte im Rahmen des NMP-19-2015-Aufrufs der Rahmenprogramme für Forschung und technologische Entwicklung im Jahr 2016 (noch im Gange) ein Forschungsprojekt, C3HARME, für das Design, die Entwicklung, die Produktion und die Erprobung einer neuen Klasse von ultra-feuerfester Keramik Matrixverbundwerkstoffe verstärkt mit Siliziumkarbidfasern und Kohlefasern geeignet für Anwendungen in rauen Luft- und Raumfahrtumgebungen möglichst ablationsnahe Wärmeschutzsysteme (TPS) Materialien (zB Hitzeschild ) und für Antriebe (zB Raketendüse). Die Nachfrage nach wiederverwendbaren fortschrittlichen Materialien mit einer Temperaturbeständigkeit über 2000 °C ist gestiegen. Kürzlich wurden kohlenstofffaserverstärkte Verbundwerkstoffe auf Zirkoniumboridbasis untersucht, die durch Aufschlämmungsinfiltration (SI) und Sintern erhalten wurden.
Durchbrüche in der Forschung
Die Europäische Kommission finanzierte im Rahmen des NMP-19-2015-Aufrufs der Rahmenprogramme für Forschung und technologische Entwicklung im Jahr 2016 (noch im Gange) ein Forschungsprojekt, C3HARME, für das Design, die Entwicklung, die Produktion und die Erprobung einer neuen Klasse von ultra-feuerfester Keramik Matrixverbundwerkstoffe, die mit Siliziumkarbidfasern und Kohlefasern verstärkt sind, geeignet für Anwendungen in rauen Luft- und Raumfahrtumgebungen.