Materialauswahl für Gasturbinen und Raketenantriebe

Die Herausforderung

Luft- und Raumfahrt-Antriebssysteme—Gasturbinen, Raketentriebwerke und aufkommende hybrid-elektrische Konfigurationen—bringen Materialien an ihre Grenzen. Keramikverbundwerkstoffe bieten die thermische Stabilität und Festigkeit, die diese Anwendungen erfordern, aber die Auswahl der richtigen Zusammensetzung erfordert ein Verständnis dafür, wie mechanische, thermische und elektrische Eigenschaften unter extremen Betriebsbedingungen zusammenwirken. Traditionelle Prüfansätze untersuchen diese Eigenschaften isoliert und verfehlen das ganzheitliche Bild, das für eine zuverlässige Materialauswahl erforderlich ist.

Die Lösung

Diese Forschung liefert eine umfassende Charakterisierung von drei Keramik-Verbundsystemen: MgO-Al2O3, MgO-CaZrO3 und yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ). Die Studie bestimmte Elastizitäts- und Schubmodul, Biegefestigkeit, Härte, Bruchzähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Wärmeausdehnungskoeffizient und dielektrische Eigenschaften—und erstellte so ein vollständiges Eigenschaftsprofil für jedes Material.

Die Impulsanregungs-Prüfung ermöglichte eine schnelle, zerstörungsfreie Messung der elastischen Moduln und lieferte die Grundlage für das Verständnis, wie sich diese Materialien unter mechanischer Belastung verhalten werden. In Kombination mit der thermischen und elektrischen Charakterisierung zeigen die Daten, wie strukturelle und funktionale Eigenschaften für Antriebsanwendungen ausbalanciert werden müssen.

Ergebnisse

Die Forschung unterstreicht, dass fortschrittliche Keramiken für die Luft- und Raumfahrt nicht auf Basis einzelner Eigenschaften ausgewählt werden können. Thermische Barrierebeschichtungen für Gasturbinen, Raketendüsenauskleidungen und hybrid-elektrische Antriebskomponenten erfordern jeweils unterschiedliche Eigenschaftskombinationen. Dieser frei zugängliche Datensatz stellt Luft- und Raumfahrtingenieuren validierte Charakterisierungsmethoden und die vergleichenden Materialdaten zur Verfügung, die für fundierte Auswahlentscheidungen erforderlich sind.