Pesquisadores usam um túnel de arco-vento para testar a resistência ao calor de compósitos de matriz cerâmica de alta temperatura reforçados com fibra de carbono – Strong The One

Os pesquisadores descobriram que as cerâmicas de temperatura ultra-alta (UHTCs), que incluem carbonetos e diboretos de metais de transição, apresentam boa resistência à oxidação. Em estudos anteriores, a infiltração da liga de zircônio-titânio (Zr-Ti) mostrou resultados promissores para melhorar a resistência ao calor de compósitos de matriz UHTC reforçados com fibra de carbono (C/UHTCMCs). No entanto, seu uso em altas temperaturas (>2000 ^oC) não é conhecida.

Diante desse cenário, um grupo de pesquisadores do Japão avaliou a utilidade potencial de C/UHTCMCs infiltrados em liga de Zr-Ti em temperaturas acima de 2.000 ^oC. Seu estudo, conduzido pelo professor associado júnior Ryo Inoue da Tokyo University of Science (TUS), foi publicado no Jornal de Ciência de Materiais e disponibilizado online em 27 de outubro de 2022. A equipe de pesquisa consistia no Sr. Noriatsu Koide e no professor assistente Yutaro Arai da TUS, no professor Makoto Hasegawa da Yokohama National University e no Dr. Toshiyuki Nishimura do National Institute for Materials Science.

Falando da motivação por trás de seu estudo, “A pesquisa é uma extensão da pesquisa e desenvolvimento de materiais cerâmicos e compósitos à base de cerâmica. Nos últimos anos, recebemos consultas de vários fabricantes de indústrias pesadas sobre materiais que podem ser usados ​​em temperaturas acima de 2.000 °C. Também recebemos começou a trabalhar com esses fabricantes para desenvolver novos materiais”, diz o Prof. Inoue.

O C/UHTCMC foi fabricado usando infiltração de fusão, que é a maneira mais econômica de fabricar esses materiais. Para estudar a aplicabilidade deste material, três tipos de C/UHTCMCs foram fabricados com três composições de liga diferentes. As três composições de liga usadas tinham razões atômicas variadas de Zr:Ti. Para caracterizar a resistência ao calor, a equipe usou um método chamado teste de túnel de arco-vento. Este método envolve a exposição do material a um fluxo de ar de entalpia extremamente alta dentro de um túnel, semelhante às condições que as espaçonaves experimentam ao reentrar na atmosfera.

A equipe descobriu que a quantidade de Zr na liga teve um forte efeito na degradação do compósito em todas as temperaturas. Isso se deve à preferência termodinâmica pela oxidação de carbonetos ricos em Zr em comparação com carbonetos ricos em Ti. Além disso, os óxidos de Zr e Ti formados na superfície composta impediram a oxidação adicional, e a composição do óxido dependeu da composição das ligas infiltradas. A análise termodinâmica revelou que os óxidos formados na superfície composta eram compostos de ZrO₂ZrTiO₄e TiO₂ soluções sólidas.

Em temperaturas acima de 2.000 ^oC, a espessura e o peso das amostras aumentaram com o teor de Zr dos compósitos após os ensaios de arco-túnel de vento. A equipe também observou que o ponto de fusão dos óxidos de superfície aumentou à medida que o teor de Zr aumentou. Para temperaturas acima de 2600 ^oC, os únicos óxidos formados foram em fase líquida, exigindo um projeto termodinâmico da composição da matriz para evitar a recessão dos compósitos UHTC.

“Estudamos com sucesso a degradação de C/UHTCMC em temperaturas acima de 2.000 ^oC usando análise termodinâmica. Também mostramos que o projeto da matriz precisa ser modificado para evitar a degradação dos compósitos. Nossa pesquisa tem o potencial de contribuir para a realização de aeronaves de passageiros de alta velocidade, veículos de reentrada e outros veículos hipersônicos”, conclui o Prof. Inoue.

Esses resultados podem ter consequências importantes na produção de orbitadores avançados de ônibus espaciais e veículos de alta velocidade.

Fonte da história:

Materiais fornecidos por Universidade de Ciências de Tóquio. Observação: o conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e tamanho.