莱斯大学与NASA合作开发碳化硅“fuzzy纤维”

可使涡轮引擎明显减轻
  莱斯大学与NASA合作，开发出了像“魔术贴”一样的碳化硅“fuzzy纤维”，它可以经得起材料在航空航天领域的试验，其耐热性、抗氧化性能力突出。

该电子显微镜图像显示了附着到分离的碳化硅纤维上的碳化硅纳米管是如何彼此缠结的。

在《应用材料和界面》里的一篇论文中，研究人员报告说，这种纤维可以增强应用在先进火箭引擎的复合材料，可以承受的温度高达1600°C(2912°F)。

目前正在开发的火箭中的陶瓷复合材料使用碳化硅纤维来增强材料，但是当暴露于氧气时它们会破裂或变脆。莱斯实验室将碳化硅纳米管和纳米线嵌入到NASA纤维表面。

纳米管和纳米线是卷曲的，像钩和环，它使得“魔术贴”变得很有价值- 但这仅在纳米级。根据首席研究员一名水稻研究生Amelia Hart的说法和博士后Chandra SekharTiwary说，它们在纤维缠结处有非常强力的互锁连接。

这不仅使得复合材料不容易开裂，而且还将其密封以防止氧气改变纤维的化学组成。

当Hart(她一直在研究碳纳米管在陶瓷毛织物上的生长)遇上了 Michael Meador(他是NASA在克利夫兰的Glenn研究中心的科学家)，他们在莱斯材料科学和纳米工程部的开幕式上开始了这份研究。(Meador现在是美国宇航局游戏变革技术项目的纳米技术项目经理。)

这使得Hart有机会把她的想法与NASA研究工程师和论文合作者珍妮特•赫斯特(Janet Hurst)一起分享。

Hart说：“她正在从碳纳米管部分转化出碳化硅”，她还说：”我们用她的配方和我的生长纳米管的能力，并想出了如何使新的复合材料。”

Hart和她的同事通过首先在铁催化剂中浸泡碳化硅纤维然后使用水辅助化学气相沉积生长出了钩和环，这项工艺部分在莱斯开发，它可以直接把一层碳纳米管嵌入到纤维表面上。

然后在高温下在硅纳米粉末中加热纤维，将碳纳米管转化成碳化硅“绒毛”。

研究人员希望他们的“fuzzy纤维”能升级成强度高，轻质和耐热的碳化硅纤维，这些纤维被加入到陶瓷复合材料中，在火箭发动机中测试了坚固的喷嘴和其他部件。

Tiwary说：“因为他们正在使用的碳化硅纤维在1600°C下很稳定，所以我们相信，通过附着上碳化硅纳米管和纳米线来增强将使它更加尖端。”

新材料还可以使整个涡轮引擎明显减轻。Hart说：“在他们使用碳化硅复合材料之前，许多发动机部件都是由镍超合金制成的，这些镍合金必须结合一个冷却系统，这增加了整个系统的重量。”“通过使用陶瓷基复合材料，他们可以略去冷却系统并且可以在更高温度下使用。”

我们的材料将允许制造比以往任何时候都更大、更持久的涡轮喷气发动机。摩擦和压缩测试表明，将碳化硅纳米管和纳米线彼此移动所需的横向力大大超过滑过平面纳米管或没有添加增强纤维所需的力。

fuzzy纤维同样能在纳米压头施加的巨大压力下轻松复原，这表明它们有能力抵抗长时间的荷载。纤维的热处理测试表明，当普通碳纳米管从纤维上燃烧时，碳化硅纳米管很容易抵抗高达1000°C的温度。