Rosnące zainteresowanie rakietową bronią hipersoniczną, a także wizja przyszłościowych, hipersonicznych statków powietrznych stawiają nowe wyzwania przed inżynierią materiałową. Zjawiska fizyczne towarzyszące lotom hipersonicznym, a więc z prędkością co najmniej pięciokrotnie przewyższającą prędkość dźwięku, wymagają stosowania materiałów odpornych na działanie ekstremalnie wysokich temperatur. W tym kontekście coraz większą uwagę poświęca się klasie materiałów określanej jako ceramika ultra-wysokotemperaturowa – UHTC (z ang. ultrahigh-temperature ceramics).
Materiały klasyfikowane w ramach UHTC charakteryzują się temperaturą topnienia zasadniczo powyżej 2000 °C. Oprócz tego wykazują się wytrzymałością temperaturową, odpornością na oksydację i szoki termiczne, a także stabilnością fazową. Są to głównie borki, azotki i węgliki pierwiastków z grupy metali przejściowych. Część z nich od lat znajduje zastosowanie w produkcji komponentów elektronicznych czy narzędzi skrawających. Obecnie trwają prace nad użyciem ceramiki ultra-wysokotemperaturowej o temperaturze topnienia nawet powyżej 3000 °C do produkcji powłok TPS (thermal protection system), służących do ochrony głowic rakiet i krawędzi natarcia hipersonicznych statków powietrznych.
Laserowa synteza HfC
W zastosowaniach przemysłowych materiały UHTC przetwarzane są w postaci sproszkowanej. Proszki UHTC są spiekane lub osadzane z fazy gazowej. W przypadku jednego z najbardziej obiecujących materiałów z tej grupy – węglika hafnu (HfC), o temperaturze topnienia sięgającej 4000 °C, produkcja konwencjonalnymi metodami zużywa duże ilości energii, często nie dając satysfakcjonujących rezultatów ze względu na niejednorodność mikrostrukturalną. Alternatywna technologia PDC (polymer-derived ceramic) polega na otrzymywaniu struktury ceramicznej z prekursorów polimerowych.
Na Uniwersytecie Stanowym Karoliny Północnej opracowano metodę otrzymywania HfC na bazie technologii PDC. Dzięki wykorzystaniu lasera CO2 o mocy 120 W, możliwe jest uzyskanie punktowego wzrostu temperatury do 2000 °C w przeciągu 30 sekund. W odróżnieniu od typowego procesu PDC, w którym można wyróżnić fazę sieciowania prekursorów, po której następuje piroliza, w ramach prezentowanej metodologii pod wpływem światła lasera obie fazy zachodzą praktycznie jednocześnie.
cały artykuł jest dostępny w wydaniu 5/6 (212/213) maj/czerwiec 2025
