Opracowanie technologii wytwarzania metodą FAST/SPS kompozytów ZrO2–CNTs przeznaczonych na osłony termiczne
[ 1 ] Wydział Inżynierii Materiałowej i Fizyki Technicznej, Politechnika Poznańska | [ SzD ] doctoral school student
[ 1 ] Instytut Badań Materiałowych i Inżynierii Kwantowej, Wydział Inżynierii Materiałowej i Fizyki Technicznej, Politechnika Poznańska | [ P ] employee
EN Development of manufacturing route based on FAST/SPS for ZrO2-CNTs composites used in thermal protection systems
polish
- FAST/SPS
- TPS
- spiekanie
- ZrO2
- FAST/SPS
- TPS
- sintering
- ZrO2
PL Niniejszą pracę stanowią 3 publikacje naukowe, które zbiorczo tworzą cykl, przedstawiający opracowaną technologię pozwalającą na wytworzenie metodą FAST/SPS kompozytów ZrO2-CNTs przeznaczonych na osłony termiczne. Osłony termiczne są jednym z kluczowych elementów pojazdów poruszających się poza atmosferą ziemską, stąd tak kluczowe jest, by spełniały szereg wymagań, szczególnie tych związanych z właściwościami termicznymi. Technologia FAST/SPS należy do niekonwencjonalnych technologii spiekania materiałów proszkowych i pozwala wytwarzać materiały o unikatowych właściwościach. W niniejszej pracy została przedstawiona metodyka, dzięki której możliwe było wytworzenie monolitycznej osłony termicznej za pomocą technologii FAST/SPS. Dwutlenek cyrkonu – ZrO2 charakteryzuje się właściwościami, dzięki którym znajduje zastosowanie w bardzo wielu obszarach, a nanorurki węglowe – CNT są alotropową odmianą węgla. ZrO2 i CNT charakteryzują się zbliżoną wartością przewodności cieplnej, natomiast przewodność elektryczna MWCNT jest wielokrotnie większa niż ZrO2. Te właściwości sprawiają, że połączenie tych materiałów o finalnym składzie 3YSZ-10MWCNT, jest korzystnym wyborem do wytworzenia demonstratora osłony termicznej. W pierwszej publikacji zebrano wyniki właściwości termicznych oraz elektrycznych dla kompozytów ZrO2 z dodatkiem MWCNT w ilości 3, 5 10 i 20% objętościowo. Drugi artykuł przestawia wyniki modelowania MES oraz spiekania demonstratora osłony termicznej 3YSZ-10MWCNT wraz z wyznaczonymi właściwościami termicznymi, mechanicznymi oraz strukturą fazową, które wykazały jednorodność właściwości w przekroju demonstratora. Cykl zamyka publikacja trzecia, przedstawiająca technologię osadzania aerozolowego ochronnej powłoki pozwalającej zabezpieczyć powierzchnie demonstratora przed utlenieniem nanorurek. Opracowana technologia pozwala na wytworzenie monolitycznej osłony termicznej, co jest osiągnięciem na skalę światową. By możliwe było przeskalowanie opracowanej metodyki koniecznie jest pokonanie ograniczeń technologicznych, do których na dziś należy ograniczona średnica próbek możliwych do wytworzenia w technologii FAST/SPS.
EN The work consists of 3 scientific publications, which collectively form a series, presenting the developed technology allowing the production of ZrO2-CNTs composites for heat shields using the FAST/SPS method. Heat shields are one of the key components of vehicles traveling outside the Earth's atmosphere, hence it is so crucial that they meet a number of requirements, especially those related to thermal properties. FAST/SPS technology is one of the unconventional powder material sintering technologies and allows for the production of materials with unique properties. This paper presents the methodology by which it was possible to produce a monolithic heat shield using FAST/SPS technology. Zirconium dioxide – ZrO2 is characterized by properties that make it applicable in a wide range of areas, and carbon nanotubes – CNTs are an allotropic variety of carbon. ZrO2 and CNTs have similar thermal conductivity values, while the electrical conductivity of MWCNTs is significantly higher than that of ZrO2. These properties make the combination of these materials, with a final composition of 3YSZ-10MWCNT, a favorable choice for producing a thermal shield demonstrator. The first paper collects the results of thermal and electrical properties for ZrO2 composites with the at 3, 5 10, and 20 vol% addition of MWCNTs. The second article reports the results of FEM modeling and sintering of the 3YSZ-10MWCNT heat shield demonstrator, and the determinate thermal properties, mechanical properties and phase structure, which showed homogeneity of properties across the demonstrator’s diameter. The series closes with the third paper, which presents the technology of aerosol deposition of a protective coating that protects the demonstrator surface from the oxidation of nanotubes. The developed technology makes it possible to produce a monolithic heat shield, which is an achievement on a global scale. In order to scaling up that methodology, it is necessary to overcome technological limitations, which for now include the limited diameter of samples that can be produced using FAST/SPS technology.
92
materials engineering
public
Piotr Klimczyk
Kraków, Polska
13.12.2024
polish
public
Radosław Swadźba
Gliwice, Polska
18.12.2024
polish
public
Rafał Zybała
Warszawa, Polska
21.01.2025
polish
public
dissertation before defense
Poznań, Polska
04.03.2025