I ricercatori dell'Università di Manchester, in collaborazione con Central South University (CSU), Cina, hanno creato una nuova tipologia di rivestimento ceramico che potrebbe rivoluzionare i viaggi ipersonici per scopi aerei, spaziali e di difesa.
Viaggio ipersonico significa muoversi a cinque Mach o più, ossia almeno cinque volte più veloce del suono. Quando ci si sposta a quella velocità, il calore generato dall'aria e dal gas nell'atmosfera è estremamente rovente e può avere un grave impatto sull'integrità strutturale del velivolo o del missile. Questo a causa delle temperature che colpiscono il velivolo, che possono raggiungere dai 2000 ai 3000 °C.
I problemi strutturali sono causati, per prima cosa, dai processi chiamati ossidazione e ablazione. Si verificano quando l'aria estremamente calda e il gas rimuovono gli strati superficiali dai materiali metallici del velivolo o dell'oggetto che viaggia ad una velocità così elevata. Per contrastare il problema, materiali chiamati ceramiche resistenti alle temperature ultra-elevate (UHTCs, ultra-high temperature ceramics) sono necessari per motori aeronautici e veicoli ipersonici come razzi, navicelle di rientro e missili di difesa.
Ma, al momento, anche i tradizionali UHTCs non sono in grado di soddisfare i requisiti associati all'ablazione per viaggiare con velocità e temperature così estreme. Tuttavia, i ricercatori all'Università di Manchester e il Royce Institute, in collaborazione con la Central South University, Cina, hanno progettato e realizzato un nuovo rivestimento in carburo enormemente migliore per resistere a temperature fino a 3000 °C, in confronto agli UHTCs attuali.
Il professor Philip Withers, professore regio dell'Università di Manchester, ha affermato: "I veicoli aerospaziali ipersonici futuri offrono il potenziale per un salto avanti nelle velocità di transito. Un aereo ipersonico potrebbe volare da Londra a New York in sole due ore e rivoluzionerebbe il viaggio sia commerciale sia pendolare".
"Ma al momento, una delle più grandi sfide è come proteggere i componenti fondamentali, come i bordi, i combustori e le ogive in modo che possano sopravvivere alla rigida ossidazione e all'estremo attrito dei flussi di calore a queste temperature della velocità di volo."
Finora, il rivestimento in carburo sviluppato dai team dell'Università di Manchester e dalla Central South University sta dimostrando di essere 12 volte meglio dello zirconio di carburo (ZrC), un UHTC convenzionale. Lo zirconio di carburo è un materiale ceramico refrattario estremamente duro, utilizzato commercialmente per creare le punte degli strumenti di taglio.
La migliore prestazione del rivestimento è dovuta alla sua conformazione strutturale unica e alle specifiche realizzate da Powder Metallurgy Institute, Central South University e studiate presso l'Università di Manchester, School of Materials. Ciò include una resistenza al calore estremamente buona e una resistenza all'ossidazione ampiamente migliorata.
Ciò che rende unico questo rivestimento è l'essere stato prodotto usando un processo chiamato reactive melt infiltration (RMI), che riduce notevolmente il tempo necessario per realizzare tali materiali e l'essere stato rinforzato con un composito carbonio-carbonio (composito C/C). Questo lo rende non solo forte ma estremamente resistente al solito degrado delle superfici.
Il professor Ping Xiao, professore di Scienza dei Materiali che ha condotto lo studio all'Università di Manchester, spiega: "Gli attuali candidati UHTC per uso in ambienti estremi sono limitati ed è utile esplorare il potenziale delle nuove ceramiche monofase in termini di evaporazione ridotta e migliore resistenza all'ossidazione. Inoltre, è stato dimostrato che l'introduzione di tali ceramiche in compositi a matrice di carbonio rinforzata con fibre di carbonio può essere un modo efficace per migliorare la resistenza agli shock termici."
Materiali avanzati
Advanced materials è uno degli ambiti di ricerca dell'Università di Manchester, esempi di scoperte pioneristiche, con collaborazioni interdisciplinari e partnership tra settori che affrontano alcune delle questioni più importanti per il pianeta.
Riferimento : "Ablation-resistant carbide Zr0.8Ti0.2C0.74B0.26 for oxidizing environments up to 3,000 °C" Yi Zeng, Dini Wang, Xiang Xiong, Xun Zhang, Philip J. Withers, Wei Sun, Matthew Smith, Mingwen Bai & Ping Xiao Article number: 15836 (2017) doi:10.1038/ncomms15836
Per maggiori informazioni: www.manchester.ac.uk