Ser capaces de soportar temperaturas de casi 4000° C podría allanar el camino para ambos materiales a utilizarse cada vez más en ambientes extremos, como en blindaje a prueba de calor para la próxima generación de vehículos espaciales hipersónicos.
Fuente: Internet
El carburo de tántalo (TaC) y el carburo de hafnio (HfC) son cerámicas refractarias, lo que significa que son extraordinariamente resistentes al calor. Su capacidad para soportar ambientes extremadamente hostiles significa que podría utilizarse cerámica refractaria en los sistemas de protección térmica en vehículos de alta velocidad y como revestimiento de combustible en los ambientes sobrecalentados de reactores nucleares. Sin embargo, no ha habido la tecnología disponible para probar el punto de fusion del TaC y el HfC en el laboratorio para determinar cuan extremo podría funcionar en ambientes.
El TaC y el HfC y sus soluciones sólidas son prometedores materiales candidatos para las estructuras de protección térmica en vehículos Hipersónicos debido a su temperatura de fusión muy alto (más de 4000 K) entre otras propiedades. La temperatura de fusión de un poco hipoestoquiómetro de TaC, HfC y tres composiciones de la solución sólida (Ta1−xHfxC, x = 0.8, 0.5 y 0.2) durante mucho tiempo han sido identificados como la más alta conocida.
El carburo de tántalo (TaC) y el carburo de hafnio (HfC) son cerámicas refractarias, lo que significa que son extraordinariamente resistentes al calor. Su capacidad para soportar ambientes extremadamente hostiles significa que podría utilizarse cerámica refractaria en los sistemas de protección térmica en vehículos de alta velocidad y como revestimiento de combustible en los ambientes sobrecalentados de reactores nucleares. Sin embargo, no ha habido la tecnología disponible para probar el punto de fusion del TaC y el HfC en el laboratorio para determinar cuan extremo podría funcionar en ambientes.
El TaC y el HfC y sus soluciones sólidas son prometedores materiales candidatos para las estructuras de protección térmica en vehículos Hipersónicos debido a su temperatura de fusión muy alto (más de 4000 K) entre otras propiedades. La temperatura de fusión de un poco hipoestoquiómetro de TaC, HfC y tres composiciones de la solución sólida (Ta1−xHfxC, x = 0.8, 0.5 y 0.2) durante mucho tiempo han sido identificados como la más alta conocida.
En la investigación actual, ellos fueron reevaluados, por primera vez en los últimos cincuenta años, usando una técnica laser de calefacción. Se encontraron que se derreten en la gama de 4041 – 4232 K, con HfC con el más alto y más bajo TaC. Radiancia espectral de las muestras calientes fue medida in situ, mostrando que la emisividad óptica de estos compuestos desempeña un papel fundamental en el equilibrio de calor. Independientemente, los resultados muestran que el punto de fusión de HfC0.98, (4232 ± 84) K, es el más alto registrado para cualquier compuesto estudiado hasta ahora.
Los investigadores del estudio, que se publica en la revista Scientific Reports, desarrollaron un nuevo extremo de calefacción técnica usando láseres para probar la tolerancia al calor de TaC y HfC. Utilizaron las técnicas de calefacción laser para encontrar el punto en que TaC y HfC se han derretido, ambos por separado y como composiciones mixtas de ambos.
Se encontró que el compuesto mixto (Ta0.8Hf0.20C) fue consistente con investigaciones anteriores, de fusión a 3905° C, pero los dos compuestos en si solos superaron los anteriores registros de puntos de fusión. El compuesto TaC derretido a 3768 C y HfC derretido a 3958° C.
Carrera espacial
Los investigadores dicen que los nuevos hallazgos podrían allanar el camino para la próxima generación de vehículos hipersónicos, significa que una nave espacial podría ser más rápida que nunca.
El Dr. Omar Cedillos-Barraza, quien es actualmente profesor asociado en la Universidad de Texas - El Paso, realizó el estudio mientras hacía su doctorado en el Departamento Imperial de materiales.
Dr. Cedillos-Barraza dijo: "la fricción involucrada cuando se viaja por encima de Mach 5, velocidades hipersónicas– crea temperaturas muy altas. Hasta ahora, TaC y HfC no han sido posibles candidatos para un avión hipersónico, pero nuestros nuevos hallazgos muestran que pueden soportar más calor de lo que pensábamos anteriormente - más que cualquier otro compuesto conocido por el hombre. Esto significa que podrían ser materiales útiles para los nuevos tipos de naves espaciales que pueden volar a través de la atmósfera como un avión, antes de llegar a velocidades Hipersónica para rodar hacia fuera en espacio. Estos materiales pueden permitir que las naves espaciales puedan soportar el calor extremo generado por salir y reingresar a la atmósfera".
Ejemplos de usos potenciales para TaC y HfC podrían ser en tapas de nariz de la nave espacial y como los bordes de instrumentos externos que tienen que soportar más fricción durante el vuelo.
En la actualidad, vehículos con velocidades sobre Mach 5 no llevan gente, pero el Dr. Cedillos-Barraza sugiere que puede ser posible en el futuro.
El Dr. Cedillos-Barraza añadió: "nuestros ensayos demuestran que estos materiales muestran promesa real en la ingeniería de vehículos espaciales del futuro. Ser capaces de soportar estas temperaturas extremas significa que las misiones que involucran a una nave espacial Hipersónica pueden un día ser las misiones tripuladas. Por ejemplo, un vuelo de Londres a Sydney tarda unos 50 minutos a Mach 5, que podría abrir un nuevo mundo de oportunidades comerciales para los países del mundo."
El diseño de la próxima generación de vehículos de vuelo hipersónico ha suscitado interés en el descubrimiento y desarrollo de materiales que pueden operar en ambientes extremos. Los vehículos hipersónico están equipados con puntas de nariz aguda y bordes de ataque para maximizar el rendimiento de vuelo. Sin embargo, se producen temperaturas muy altas y velocidades de calentamiento en estas superficies debido a extremas velocidades (Mach 5).
Los investigadores del estudio, que se publica en la revista Scientific Reports, desarrollaron un nuevo extremo de calefacción técnica usando láseres para probar la tolerancia al calor de TaC y HfC. Utilizaron las técnicas de calefacción laser para encontrar el punto en que TaC y HfC se han derretido, ambos por separado y como composiciones mixtas de ambos.
Se encontró que el compuesto mixto (Ta0.8Hf0.20C) fue consistente con investigaciones anteriores, de fusión a 3905° C, pero los dos compuestos en si solos superaron los anteriores registros de puntos de fusión. El compuesto TaC derretido a 3768 C y HfC derretido a 3958° C.
Carrera espacial
Los investigadores dicen que los nuevos hallazgos podrían allanar el camino para la próxima generación de vehículos hipersónicos, significa que una nave espacial podría ser más rápida que nunca.
El Dr. Omar Cedillos-Barraza, quien es actualmente profesor asociado en la Universidad de Texas - El Paso, realizó el estudio mientras hacía su doctorado en el Departamento Imperial de materiales.
Dr. Cedillos-Barraza dijo: "la fricción involucrada cuando se viaja por encima de Mach 5, velocidades hipersónicas– crea temperaturas muy altas. Hasta ahora, TaC y HfC no han sido posibles candidatos para un avión hipersónico, pero nuestros nuevos hallazgos muestran que pueden soportar más calor de lo que pensábamos anteriormente - más que cualquier otro compuesto conocido por el hombre. Esto significa que podrían ser materiales útiles para los nuevos tipos de naves espaciales que pueden volar a través de la atmósfera como un avión, antes de llegar a velocidades Hipersónica para rodar hacia fuera en espacio. Estos materiales pueden permitir que las naves espaciales puedan soportar el calor extremo generado por salir y reingresar a la atmósfera".
Ejemplos de usos potenciales para TaC y HfC podrían ser en tapas de nariz de la nave espacial y como los bordes de instrumentos externos que tienen que soportar más fricción durante el vuelo.
En la actualidad, vehículos con velocidades sobre Mach 5 no llevan gente, pero el Dr. Cedillos-Barraza sugiere que puede ser posible en el futuro.
El Dr. Cedillos-Barraza añadió: "nuestros ensayos demuestran que estos materiales muestran promesa real en la ingeniería de vehículos espaciales del futuro. Ser capaces de soportar estas temperaturas extremas significa que las misiones que involucran a una nave espacial Hipersónica pueden un día ser las misiones tripuladas. Por ejemplo, un vuelo de Londres a Sydney tarda unos 50 minutos a Mach 5, que podría abrir un nuevo mundo de oportunidades comerciales para los países del mundo."
El diseño de la próxima generación de vehículos de vuelo hipersónico ha suscitado interés en el descubrimiento y desarrollo de materiales que pueden operar en ambientes extremos. Los vehículos hipersónico están equipados con puntas de nariz aguda y bordes de ataque para maximizar el rendimiento de vuelo. Sin embargo, se producen temperaturas muy altas y velocidades de calentamiento en estas superficies debido a extremas velocidades (Mach 5).
Se requieren estructuras de protección térmica que puedan operar en el aire a temperaturas que pueden superar los 2200 K, por lo tanto están obligados a tener temperaturas de fusión muy altas. Las condiciones extremas para aplicaciones hipersónicas han introducido la motivación para la investigación y desarrollo de materiales de alta temperatura, incluyendo a un grupo de la cerámica conocida como cerámica de alta temperatura (UHTCs).
Una definición común de una UHTC es de una cerámica que tiene una temperatura de fusión por encima de los 3300 K. De una amplia selección de materiales que un ingeniero puede escoger solamente un número limitado con temperaturas por encima de este criterio 3 de fusión. El carburo de tántalo (TaC) y el carburo de hafnio (HfC) son de particular interés debido a sus altas temperaturas (más de 4000 K) que son las más altas de fusión divulgadas entre todos los materiales inorgánicos conocidos. Se sabe que forman una solución sólida continua sobre toda la gama de composiciones.
El experimento con calefacción laser consistió de cuatro pulsos de láser consecutivos, a partir de un pulso de baja potencia destinados a un tiempo de espera largo (típicamente 1000 ms), y entonces el poder de los pulsos subsiguientes fueron aumentado pero acortado en el tiempo de espera (normalmente pocos cientos ms). La fase de precalentamiento y los pulsos sucesivos fueron concebidos para minimizar las tensiones térmicas y el riesgo de fallas mecánicas de las muestras.
Los resultados de este trabajo muestran que el HfC0.98 tiene el más alto punto de fusión en el sistema de TaC-HfC (4232 ± 84) K, que lo convierten en el más alto punto de fusión compuesto, ya que la temperatura de fusión de TaC experimentalmente fue encontrado para ser inferior de HfC en este trabajo.
En composiciones mixtas, un punto de fusión máximo local se observó para el Ta0.8Hf0.2C, de acuerdo con investigaciones anteriores. Sin embargo, la actual temperatura de fusión de HfC0.98 sigue siendo la más alto de la serie. La presencia de una temperatura de fusión máxima local de carburos mezclados de Hf-Ta ha demostrado estar acompañada por un efecto de la emisividad espectral, consistente con la existencia, recientemente propuesta por Hong y van de Walle9, de un vínculo entre el comportamiento de fusión y la posición del nivel de Fermi en este tipo de compuestos.
El experimento con calefacción laser consistió de cuatro pulsos de láser consecutivos, a partir de un pulso de baja potencia destinados a un tiempo de espera largo (típicamente 1000 ms), y entonces el poder de los pulsos subsiguientes fueron aumentado pero acortado en el tiempo de espera (normalmente pocos cientos ms). La fase de precalentamiento y los pulsos sucesivos fueron concebidos para minimizar las tensiones térmicas y el riesgo de fallas mecánicas de las muestras.
Los resultados de este trabajo muestran que el HfC0.98 tiene el más alto punto de fusión en el sistema de TaC-HfC (4232 ± 84) K, que lo convierten en el más alto punto de fusión compuesto, ya que la temperatura de fusión de TaC experimentalmente fue encontrado para ser inferior de HfC en este trabajo.
En composiciones mixtas, un punto de fusión máximo local se observó para el Ta0.8Hf0.2C, de acuerdo con investigaciones anteriores. Sin embargo, la actual temperatura de fusión de HfC0.98 sigue siendo la más alto de la serie. La presencia de una temperatura de fusión máxima local de carburos mezclados de Hf-Ta ha demostrado estar acompañada por un efecto de la emisividad espectral, consistente con la existencia, recientemente propuesta por Hong y van de Walle9, de un vínculo entre el comportamiento de fusión y la posición del nivel de Fermi en este tipo de compuestos.
Esto debería impulsar más investigación experimental en composiciones de Ta-Hf-C-N que puede mostrar la temperatura de fusión mayor que para el sistema ternario de Ta-Hf-C, en consonancia con las predicciones teóricas Hong y van de Walle.
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