A multifunctional ZrC porous ceramic fabricated via a direct foaming method with load- bearing, thermal insulation, and electromagnetic wave absorption properties

Quando un veicolo viaggia a velocità ipersoniche, rientrando nell'atmosfera, affronta una brutale combinazione di sfide. L'attrito con l'aria genera un calore intenso che può fondere la maggior parte dei materiali, mentre il veicolo deve anche sopportare carichi strutturali pesanti e rimanere invisibile ai radar nemici. Tradizionalmente, gli ingegneri risolvono questi problemi sovrapponendo diversi strati di materiali: un telaio metallico resistente per mantenere la forma, uno strato isolante soffice per tenere fuori il calore e un rivestimento speciale per assorbire le onde radar. Tuttavia, sovrapporre questi componenti separati aggiunge peso e crea punti deboli dove gli strati potrebbero staccarsi sotto stress. L'obiettivo per la progettazione aerospaziale di prossima generazione è trovare un singolo materiale che possa svolgere tutti e tre i compiti contemporaneamente: sostenere il peso, bloccare il calore e nascondersi dai radar.

Ricercatori della Northwestern Polytechnical University e della Shaanxi University of Science and Technology hanno sviluppato un nuovo tipo di ceramica che tenta di risolvere questo enigma. Hanno creato un materiale leggero e poroso composto da carburo di zirconio, una sostanza nota per sopravvivere a temperature estreme. Controllando attentamente la ricetta chimica utilizzata per produrlo, hanno ottenuto una ceramica ricca di piccoli fori interconnessi. Questa struttura permette al materiale di agire simultaneamente come un solido elemento costruttivo, uno scudo termico e un assorbitore di radar. Il team ha scoperto che semplicemente regolando la quantità di carbonio mischiata allo zirconio durante il processo di produzione, potevano calibrare le proprietà del materiale per raggiungere un raro equilibrio tra resistenza e isolamento.

Il processo è iniziato con due sostanze chimiche comuni: il cloruro di zirconio e il furfurolo, un liquido derivato dalla materia vegetale. I ricercatori hanno mescolato queste sostanze in un modo che ha causato la trasformazione spontanea del liquido in una schiuma, creando un blocco solido ma poroso senza la necessità di stampi esterni o agenti schiumogeni. Questo blocco è stato poi riscaldato in un forno a temperature estremamente elevate. Durante questo riscaldamento, si è verificata una reazione chimica nota come riduzione carbotermica, in cui il carbonio proveniente dal furfurolo ha reagito con lo zirconio per formare la ceramica finale di carburo di zirconio. Il gas rilasciato durante questa reazione ha aiutato a mantenere la struttura porosa e simile a una spugna. Il team ha creato quattro versioni diverse di questa ceramica, ciascuna con un rapporto leggermente diverso tra carbonio e zirconio, per vedere come l'equilibrio degli ingredienti influenzasse il prodotto finale.

I risultati hanno mostrato che la quantità di carbonio aggiunta era la chiave per sbloccare il pieno potenziale del materiale. Man mano che i ricercatori aumentavano il contenuto di carbonio, le minuscole particelle che compongono la ceramica diventavano più grandi e lisce, e i fori all'interno del materiale diventavano più uniformi e interconnessi. Questo cambiamento nella struttura microscopica ha avuto un effetto profondo sulle prestazioni del materiale. Il campione più ricco di carbonio, che presentava una porosità del 71 percento, si è rivelato il più efficace. Possedeva una rete tridimensionale di piccole sfere strettamente legate tra loro, conferendo al materiale una resistenza alla compressione di 23,6 megapascal. Per dare un termine di paragone, questo livello di resistenza è sufficiente affinché il materiale possa sostenere carichi significativi, rendendolo idoneo per usi strutturali in applicazioni aerospaziali dove altre ceramiche porose semplicemente si sbriciolerebbero.

Oltre alla sua resistenza, il materiale ha dimostrato un'eccezionale capacità di bloccare il calore. Quando i ricercatori hanno valutato la prestazione di isolamento termico riscaldando la ceramica a 300 gradi Celsius per 10 minuti, l'altro lato è rimasto sorprendentemente fresco. Il campione migliore ha mantenuto la temperatura superficiale a soli 99,5 gradi Celsius, un calo significativo rispetto ai campioni con meno carbonio. Questa prestazione di isolamento termico è stata misurata con una conducibilità termica di 0,254 watt al metro-kelvin, un valore molto basso che indica come il calore faccia fatica a passare attraverso il materiale. L'elevato numero di minuscoli pori intrappolava l'aria, che è un cattivo conduttore di calore, creando efficacemente una barriera che rallentava il trasferimento dell'energia termica. Ciò suggerisce che il materiale potrebbe proteggere i componenti interni sensibili di un veicolo spaziale dalle temperature roventi del rientro atmosferico.

La scoperta più sorprendente è stata la capacità del materiale di assorbire le onde elettromagnetiche, il che è fondamentale per la furtività radar. I ricercatori hanno testato quanto bene la ceramica potesse assorbire i segnali radar su una vasta gamma di frequenze. Hanno scoperto che il campione con il più alto contenuto di carbonio assorbiva la maggior parte dell'energia, riducendo la riflessione delle onde radar di un fattore di quasi 1.000 rispetto a una superficie metallica standard. In termini tecnici, il materiale ha raggiunto una perdita di riflessione minima di -28,87 decibel, il che significa che poteva assorbire il 99,9 percento delle onde radar che lo colpivano a specifiche frequenze. L'assorbimento era così efficace da coprire un ampio intervallo di frequenze, permettendo al materiale di nascondere il veicolo alla rilevazione radar da molteplici angolazioni diverse.

Il meccanismo alla base di questo assorbimento risiede nella struttura unica della ceramica. La rete interconnessa di sfere di carburo di zirconio permette agli elettroni di muoversi liberamente, creando un percorso conduttivo che dissipa l'energia elettromagnetica sotto forma di calore. Allo stesso tempo, le superfici ruvide e i difetti all'interno del materiale causano il rimbalzo delle onde radar all'interno dei pori, facendo perdere energia a ogni riflessione. Il carbonio aggiunto durante la produzione ha anche creato difetti specifici che hanno aiutato il materiale a interagire con le onde, migliorando ulteriormente l'assorbimento. Le simulazioni al computer hanno confermato che, quando questa ceramica veniva posizionata sopra una superficie metallica, riduceva significativamente la forza del segnale radar riflesso, rendendo l'oggetto molto più difficile da rilevare.

Questo lavoro dimostra che è possibile progettare un singolo materiale che soddisfi le richieste contrastanti dell'ingegneria aerospaziale moderna. Utilizzando un semplice metodo di auto-schiumatura e calibrando attentamente il rapporto tra carbonio e zirconio, i ricercatori hanno creato una ceramica abbastanza forte da sostenere i carichi, abbastanza leggera da risparmiare peso ed efficace nel bloccare calore e radar. Lo studio suggerisce che questo approccio potrebbe portare a nuovi sistemi integrati di protezione termica per i veicoli ipersonici, eliminando la necessità di strutture multistrato pesanti. Sebbene il materiale sia stato testato in un ambiente di laboratorio, i risultati indicano una strada promettente per lo sviluppo di ceramiche multifunzionali in grado di resistere agli ambienti estremi dello spazio e del volo ad alta velocità.