Spark-plasma sintering of ZrB2 ultra-high-temperature ceramics

Abstract

Los cerámicos de ultra-alta temperatura son los candidatos idóneos para el progreso en aplicaciones aeroespaciales con ambientes extremos tales como vuelos hipersónicos, toberas de aviones a reacción, propulsión de cohetes y transbordadores espaciales. El diboruro de zirconio (ZrB2) es un candidato prometedor dentro de la pequeña lista de cerámicos de ultra-alta temperatura debido a sus propiedades (bajo punto de fusión, densidad reducida y elevada dureza). La adicción de dopantes como grafito (C), carburo de silicio (SiC) y disiliciuro de molibdeno (MoSi2) junto con la molienda de alta energía ayudan a la sinteribilidad de estos materiales cerámicos avanzados.

Esta Tesis Doctoral se orienta hacia el procesado, fabricación y optimización de la sinterización de nuevos materiales cerámicos de ultra-alta temperatura con posibles aplicaciones para los nuevos vuelos espaciales, supersónicos y, en general, en el desarrollo de nuevos vehículos de propulsión.

Los materiales serán obtenidos mediante la molienda de alta energía de los polvos de partida de ZrB2, y ZrB2 mezclado con SiC, con tamaños de cristales controlados. Estos polvos se densificarán con una técnica de sinterización no convencional denominada descarga eléctrica pulsada, que proporciona una densificación más elevada en un menor tiempo, y obteniéndose una microestructura de grano fino. Se optimizará la fabricación de sinterizando a la temperatura más baja posible para inhibir el crecimiento de grano y así mejorar las propiedades mecánicas para las aplicaciones de los cerámicos de ultra-alta temperatura.

Ultra-high-temperature ceramics are a key element for progress in various extreme-environment aerospace applications such as hypersonic flights, scram-jet propulsion, rocket propulsion, and space shuttle. Zirconium diboride is one of the short list of candidate ultra-high-temperature ceramics due to their properties (low melting point, reduced density and high hardness). The addiction of aid of sintering as graphite (C), silicon carbide (SiC) and molybdenum disilicide (MoSi2) together with the high-energy ball milling improve the sinterability of these advanced ceramic materials.

This project focuses on the process, fabrication and optimization of the sintering of new ultra high temperature ceramic materials with potential applications for the new space flight, hypersonic flights and, in general in the development of new propulsion vehicles.

The materials will be fabricated by high-energy ball milling the starting powder (ZrB2, ZrB2 + SiC) to obtain controlled crystal sizes. These powders will be then sintered with an unconventional technique called spark plasma sintering, which provides a higher densification in a shorter time, and microstructure with finer grains. The processing will be optimized by sintering at the lowest temperatures. This ensures the control of grain growth and so improve the mechanical properties for ultra high temperature ceramics applications.