Pesquisadores da Base Aérea de Wright-Patterson estão buscando patentear um novo processo para a fabricação de um tipo de material chamado nanopartículas enxertadas com polímero pré-cerâmico, ou "nanopartículas cabeludas" (HNP).

Um HNP é um material híbrido que consiste em um invólucro de polímero ligado a um núcleo sólido de nanopartículas. O polímero - uma cadeia de moléculas repetidas - forma o "cabelo" em torno da nanopartícula, que é aproximadamente do tamanho de um pequeno vírus.

Embora os HNPs já existam há muitos anos, o que torna este diferente é o tipo de polímero que está sendo anexado à partícula central. É um polímero pré-cerâmico, uma classe especial de polímero usado na formação de fibras e compósitos cerâmicos de alto desempenho.

"O polímero especial usado em nosso processo é o que diferencia nosso trabalho, "disse o líder do projeto, Dr. Matthew Dickerson." Os pesquisadores já fizeram esse tipo de nanopartículas peludas no passado, mas eles usaram polímeros orgânicos como o poliestireno. Nosso polímero é diferente; é inorgânico porque contém silício. É um pouco como silicones (calafetar), que têm uma base de repetições de silício e oxigênio, mas o nosso tem uma espinha dorsal de repetições de silício e carbono. "

Essa química de silício e carbono permite que o polímero se converta em uma cerâmica de carboneto de silício quando aquecido a altas temperaturas.

Os HNPs resultantes desse processo especial serão utilizados na fabricação de peças de aeronaves feitas de material cerâmico composto. "Compósitos cerâmicos são usados ​​para aplicações de alta temperatura da Força Aérea dos Estados Unidos que se beneficiam de materiais com densidade inferior à dos metais, incluindo motor a jato e componentes de veículos hipersônicos, "disse Dickerson." Os HNPs que sintetizamos são projetados para esse tipo de aplicação. "

Este material híbrido especial, Contudo, não é feito simplesmente misturando o polímero e as nanopartículas e esperando o melhor. "Uma mistura simples resultaria em algo como uma massa ou uma mistura quebradiça, "disse Dickerson, "mas o material híbrido que acabamos com flui mais como melaço, então fluirá mais facilmente em uma cerâmica porosa."

Durante a fabricação de um compósito de matriz cerâmica, os materiais usados ​​para unir as fibras cerâmicas encolhem consideravelmente. Esse encolhimento resulta em rachaduras e vazios que precisam ser preenchidos, ou infiltrado. Um dos requisitos mais importantes do material híbrido feito de HNPs é que ele deve fluir facilmente para que possa se infiltrar nesses vazios.

Com os processos atuais de última geração, a cerâmica tem que passar por vários ciclos (seis a dez) de infiltração para atingir a densidade desejada. O novo processo descrito no pedido de patente, bem como em um artigo publicado recentemente em Química de Materiais , produz um material que pode potencialmente reduzir o número de ciclos de infiltração pela metade, resultando em uma melhor relação custo-benefício, componente de produção mais rápida.

Mesmo com as propriedades superiores de alta temperatura dos compostos de cerâmica em relação aos componentes de metal convencionais, reduzir seu custo é a chave para permitir seu uso generalizado em aplicações exigentes da Força Aérea.

O projeto foi financiado pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea. “Esta pesquisa é um grande avanço tecnológico na síntese de nanocompósitos cerâmicos, disse o Dr. Ming-Jen Pan, Oficial de programa da AFOSR. "Ele fornece controle sem precedentes da nanoestrutura de materiais híbridos. Estou entusiasmado com as possibilidades que essa descoberta traz para o projeto e processamento de futuros materiais compostos."

Financiamento adicional foi recebido para verificar como a química dos materiais determina suas propriedades.

"Foi um projeto difícil de fazer. Demorou quase três anos para acertar, "disse Dickerson." Foi uma verdadeira vitória para Kara, " ele adicionou, referindo-se ao cientista pesquisador Dr. Kara L. Martin. "Desenvolver o procedimento de síntese química para fazer essas partículas é muito difícil. Suas novas idéias e tenacidade permitiram que ela levasse o projeto ao sucesso."