Harbin Üniversitesi bünyesindeki bilim insanları, ultra yüksek sıcaklık seramikleri (UHTCs) üretmek için hammadde olarak ZrC, TiSi2 ve B4C kullanan, yerinde reaktif kıvılcım plazma sinterleme (SPS) yöntemine dayalı yeni bir süreç geliştirdi.
Bu yeni nesil malzemeler, ekstrem koşullarda çalışan yeni nesil nükleer enerji, hipersonik uçuş ve gelişmiş itki sistemleri gibi kritik alanlar için büyük önem taşıyor.
Zirkonyum karbür (ZrC), son derece yüksek erime noktası ve katı hal kararlılığı nedeniyle bu seramiklerin üretiminde başat malzeme olarak kabul ediliyor ancak malzemenin zayıf sinterlenebilirliği ve doğal kırılganlığı, yapısal kararlılığı konusunda şüpheler uyandırdığı için geniş ölçekli kullanımı şimdiye dek kısıtlı kaldı.
Sinterlenebilirlik, bir tozun tam sıvılaşma aşamasına gelmeden katı bir kütle oluşturma yeteneğini ifade ediyor. ZrC için bu süreç, ihtiyaç duyulan aşırı yüksek işlem sıcaklıkları nedeniyle zorlaşıyor. Geçmişteki yöntemler bazı kısıtlamaları çözse de genellikle bir özelliği iyileştirirken diğerinden ödün verdi.
Yeni İki Aşamalı Süreç
Araştırmacılar Boxin Wei ve Yujin Wang, söz konusu eksiklikleri gidermek için iki aşamalı bir sürece geçiş yaptı.
Boxin Wei, yaptığı açıklamada, “Ele almayı hedeflediğimiz temel zorluk, ZrC seramiklerinde hem yoğunlaşma davranışını hem de kırılma direncini aynı anda nasıl artıracağımızdı.” dedi. Wei, sözlerine şunu ekledi: “Yaklaşımımız, düşük sıcaklıkta yoğunlaşmayı teşvik etmekle kalmayıp aynı zamanda farklı ölçeklerde çalışan güçlendirici fazlara sahip hiyerarşik bir mikro yapı oluşturacak, dikkatle tasarlanmış bir yerinde reaksiyon dizisinden yararlanmaktı.”
1600°C (2912°F) sıcaklıktaki ilk adımda, TiSi2 ile B4C reaksiyona girerek TiB2 ve SiC’yi oluşturuyor. Bu sıcaklıkta üç dakika bekledikten sonra reaksiyon ve difüzyon süreçlerini ayırmak amacıyla sıcaklık 1800°C’ye (3272°F) çıkarılıyor.
İlk adımda açığa çıkan silikon atomu, ZrC matrisi ile reaksiyona girerek ZrSi2 ve ikincil SiC üretiyor. Sıvı faz sinterlemesi ve elementlerin birbirine karışması sonucunda katı çözeltiler meydana geliyor.
Geliştirilmiş Mikro Yapılar
Wang süreci, “Düşük sıcaklıktaki bekletme aşaması, matris tane büyümesini kasıtlı olarak sınırlarken yerinde reaksiyonların tamamlanmasına öncelik veriyor. Bu sabitleyici fazların mikro yapıya dağılmasıyla, ardından gelen yüksek sıcaklıklı sinterleme tam yoğunluğa ulaşıyor ve nano ölçekli parçacıklar tanelerin irileşmesini en baştan engelliyor.” şeklinde açıkladı.
Araştırmacılar; %30 mol TiSi2 ve %15 mol B4C ekleyerek tane boyutu 500 nm’nin altında olan rafine bir alt yapı elde etti. Bu sayede malzeme; 824 ± 46 MPa eğilme dayanımı ve 7.5 ± 0.5 MPa·m1/2 kırılma tokluğu sergileyerek daha önce bildirilen ZrC bazlı malzemelerin çok üzerine çıktı.
Yüksek çözünürlüklü transmisyon elektron mikroskobu analizleri de ikincil SiC’nin matris içindeki yöneliminin kafes uyumsuzluğunu azalttığını ve stres aktarımını iyileştirdiğini gösterdi. Araştırmacılar ayrıca, iki aşamalı süreç sırasında yüksek sıcaklıklarda daha düşük bir reaksiyon hızı gözlemleyerek ana reaksiyonların ilk adımda tamamlandığını doğruladı.
Wei, “Bu çalışma, reaksiyon sırasının ve termal geçmişin dikkatli kontrolünün, karbür seramiklerdeki mikro yapı-özellik ilişkilerini temelden değiştirebileceğini kanıtlıyor.” diyerek durumu özetledi.
Araştırma sonuçları Journal of Advanced Ceramics dergisinde yayımlandı.
Kaynak: https://interestingengineering.com/transportation/hermeus-flies-supersonic-capable-drone-prototype
