Nanotubes de carbure de silicium attachés à des fibres de carbure de silicium séparées, utilisé par la NASA, s'entremêler dans cette image au microscope électronique. Le matériau créé à l'Université Rice est destiné à un composite céramique qui rendrait les moteurs de fusée plus solides, plus léger et mieux à même de résister à la chaleur extrême. Crédit :Ajayan Research Group/Rice University
Pour résister à la chaleur et à la pression des moteurs de fusée de nouvelle génération, les fibres composites utilisées pour les fabriquer doivent être floues.
Le laboratoire de l'Université Rice du scientifique des matériaux Pulickel Ajayan, en collaboration avec la NASA, a développé des "fibres floues" de carbure de silicium qui agissent comme du velcro et résistent à la punition que subissent les matériaux dans les applications aérospatiales.
Les fibres renforcent les composites utilisés dans les moteurs de fusée avancés qui doivent résister à des températures allant jusqu'à 1, 600 degrés Celsius (2, 912 degrés Fahrenheit). Les composites céramiques dans les fusées en cours de développement utilisent des fibres de carbure de silicium pour renforcer le matériau, mais ils peuvent se fissurer ou devenir cassants lorsqu'ils sont exposés à l'oxygène.
Le laboratoire Rice a intégré des nanotubes et des nanofils de carbure de silicium dans la surface des fibres de la NASA. Les parties exposées des fibres sont bouclées et agissent comme les crochets et les boucles qui rendent le Velcro si précieux - mais à l'échelle nanométrique.
Le résultat, selon les chercheurs principaux Amelia Hart, un étudiant diplômé de Rice, et Chandra Sekhar Tiwary, un associé postdoctoral Rice, crée des connexions imbriquées très solides où les fibres s'emmêlent ; cela rend non seulement le composite moins sujet à la fissuration, mais le scelle également pour empêcher l'oxygène de modifier la composition chimique de la fibre.
Une fibre de carbure de silicium rehaussée d'un tapis de nanotubes de carbure « flous » créés à l'Université Rice est illustrée à gauche. La même fibre avec du duvet intact apparaît juste après que les chercheurs l'aient brûlée avec un briquet. Crédit :Ajayan Research Group/Rice University
Le travail est détaillé dans la revue American Chemical Society Matériaux appliqués et interfaces .
Le travail a commencé lorsque Hart, qui avait étudié la croissance de nanotubes de carbone sur laine céramique, rencontré Michael Meador, puis scientifique au Glenn Research Center de la NASA, Cleveland, lors de la réception de lancement du département de science des matériaux et nano-ingénierie de Rice. (Meador est maintenant chef de projet de nanotechnologie au programme Game Changing Technologies de la NASA.)
Cela a conduit à une bourse à Cleveland et à la possibilité de combiner ses idées avec celles de l'ingénieur de recherche de la NASA et co-auteur de l'article Janet Hurst. "Elle convertissait partiellement du carbure de silicium à partir de nanotubes de carbone, " Hart a déclaré. "Nous avons utilisé sa formulation et ma capacité à faire croître des nanotubes et avons compris comment fabriquer le nouveau composite."
De retour à Rice, Hart et ses collègues ont développé leurs crochets et leurs boucles en baignant d'abord de la fibre de carbure de silicium dans un catalyseur de fer, puis en utilisant un dépôt chimique en phase vapeur assisté par eau, un procédé développé en partie chez Rice, d'intégrer un tapis de nanotubes de carbone directement dans la surface. Ceux-ci deviennent le modèle du produit final. Les fibres ont ensuite été chauffées dans de la nanopoudre de silicium à haute température, qui convertit les nanotubes de carbone en "fuzz" de carbure de silicium.
Les chercheurs espèrent que leurs fibres floues amélioreront le fort, fibres de carbure de silicium légères et résistantes à la chaleur qui, lorsqu'il est mis dans des composites céramiques, sont testés pour des tuyères robustes et d'autres pièces dans les moteurs de fusée. "La fibre de carbure de silicium qu'ils utilisent déjà est stable à 1, 600°C, " a déclaré Tiwary. " Nous sommes donc convaincus que la fixation de nanotubes et de fils de carbure de silicium pour ajouter de la résistance le rendra encore plus avant-gardiste. "
Amelia Hart, étudiante diplômée de l'Université Rice, détient des fibres de carbure de silicium « floues » renforcées de nanotubes de carbure de silicium qui s'entremêlent lorsqu'elles sont placées à l'intérieur d'un composite céramique et ajoutent de la force et de la résistance à la chaleur extrême. Crédit :Ajayan Research Group/Rice University
Les nouveaux matériaux devraient également alléger considérablement les moteurs turbo entiers, dit Hart. "Avant d'utiliser des composites de carbure de silicium, de nombreuses pièces du moteur étaient en superalliages de nickel qui devaient intégrer un système de refroidissement, qui a ajouté du poids à l'ensemble, " dit-elle. " En passant aux composites à matrice céramique, ils pourraient sortir le système de refroidissement et aller à des températures plus élevées. Notre matériel permettra la création de plus grands, des turboréacteurs plus durables qui vont à des températures plus élevées que jamais. »
Les tests de friction et de compression ont montré que la force latérale nécessaire pour déplacer les nanotubes et les fils de carbure de silicium les uns sur les autres était bien supérieure à celle nécessaire pour glisser devant des nanotubes simples ou des fibres non renforcées, les chercheurs ont rapporté. Ils ont également pu rebondir facilement après une compression élevée appliquée avec un nano-pénétrateur, qui ont montré leur capacité à résister à la panne pendant de plus longues périodes.
Des tests pour voir dans quelle mesure les fibres ont géré la chaleur ont montré que des nanotubes de carbone simples brûlaient des fibres, mais les nanotubes de carbure de silicium ont facilement résisté à des températures allant jusqu'à 1, 000 C.
Hart a déclaré que la prochaine étape consistera à appliquer ses techniques de conversion à d'autres nanomatériaux de carbone pour créer des matériaux tridimensionnels uniques pour des applications supplémentaires.
