Σύνθεση υλικών υπό κενό από αντιδρώντα προσομοίωσης σεληνιακού εδάφους μέσω αυτοπροωθούμενης σύνθεσης υψηλών θερμοκρασιών (SHS)

Abstract

Στα τέλη του 20ου αιώνα, έγινε δημοφιλής μια εναλλακτική μέθοδος σύνθεσης ανόργανων υλικών, η οποία βασίζεται στη δημιουργία ενός “θερμικού κύματος”. Η μέθοδος αυτή ονομάστηκε “Αυτοπροωθούμενη Σύνθεση Υψηλών Θερμοκρασιών” (Self-propagating High-Temperature Synthesis, SHS) κατά την οποία τα ανόργανα υλικά μπορούν να συντεθούν εξαιτίας της αυτο-θέρμανσης από τις ειδικά σχεδιασμένες εξώθερμες αντιδράσεις μεταξύ των αντιδρώντων, από στρώμα σε στρώμα, διασφαλίζοντας τη μεταφορά θερμότητας από τα θερμά προϊόντα καύσης στα ψυχρά αρχικά αντιδρώντα. Η μέθοδος SHS έχει μια ευρεία εφαρμογή στη σύνθεση υλικών και τα τελευταία χρόνια βρίσκεται στο επίκεντρο για τη σύνθεση υλικών που προορίζονται για σεληνιακές εφαρμογές. Στη συγκεκριμένη έρευνα έγινε χρήση προσομοιωτών σεληνιακού ρεγόλιθου, οι οποίοι περιέχουν ορυκτά που είναι κοινά σε Γη και Σελήνη (Ιλμενίτης, Χρωμίτης, Ολιβίνης), με διάφορα ποσοστά σε αλουμίνιο (15-18%), δημιουργώντας τα συστήματα Ιλμενίτης – Αλουμίνιο, Χρωμίτης – Αλουμίνιο και Ιλμενίτης – Ολιβίνης – Αλουμίνιο. Για την επίτευξη των τελικών προϊόντων μέσω SHS, παρασκευάστηκαν δοκίμια για το κάθε σύστημα, τα οποία τοποθετήθηκαν σε θερμοκρασίες από 600 – 800 οC, αρχικά σε ατμοσφαιρικές συνθήκες πίεσης και στη συνέχεια σε συνθήκες κενού. Τα παραγόμενα υλικά μελετήθηκαν και συγκρίθηκαν ως προς τη θλιπτική αντοχή τους, μέσω του μηχανήματος μέτρησης θλιπτικής αντοχής Instron 5982 και ως προς τη σύστασή τους, μέσω περίθλασης ακτίνων Χ (XRD) και ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης (SEM). Από το χαρακτηρισμό και τα αποτελέσματα των παραπάνω συστημάτων, προκύπτει ότι τα υλικά που παρασκευάστηκαν με SHS υπό κενό περιέχουν υψηλά ποσοστά μετάλλων σε αντίθεση με εκείνα που παρασκευάστηκαν σε ατμόσφαιρα, τα οποία περιέχουν κυρίως οξείδια λόγω του οξυγόνου της ατμόσφαιρας. Τα παραγόμενα προϊόντα υπό συνθήκες κενού, έχουν υψηλό πορώδες, με εμφανή κενά, και διατηρούν το αρχικό τους σχήμα, σε σύγκριση με τα τηγμένα προϊόντα της ατμοσφαιρικής πίεσης. Ως συνέπεια, τα τελευταία εμφανίζουν υψηλότερες αντοχές σε θλίψη.

In the late 20th century, an alternative method of synthesizing inorganic materials, which is based on the creation of a “heat wave”, became popular. This method is known as Self-propagating High-Temperature Synthesis (SHS), in which inorganic materials can be synthesized under pre-designed exothermic reactions between powders, by a layer by layer self-heating system, ensuring this way the heat transfer from the hot combustion products to the primarily cold reactants. The SHS method is widely used in the field of material synthesis, and more specifically nowadays SHS method is focused more on material composition for lunar applications. In this particular study, regolith stimulants were used, which contained minerals such as Ilmenite, Chromite, Olivine that are common both in Earth and Moon. These minerals were combined with various percentages of aluminum (15-18%), and systems such as Ilmenite - Aluminium, Chromite - Aluminium and Ilmenite - Olivine - Aluminium were created. In order to achieve the composition of the final products with SHS, specimens for each system were manufactured, which were heated at 600 to 800 °C temperatures, initially at atmospheric pressure and then under vacuum. The manufactured products were studied and compared both with respect to their compressive strength (instrument Instron 5982) and to composition (X-ray diffraction - XRD and scanning electron microscope - SEM). According to the results of the characterization methods, it can be concluded that the materials synthesized by SHS vacuum contain high percentages of metallic phases, in contrast to the materials synthesized in normal atmosphere, which contain oxides mainly due to the oxygen in the atmosphere. Furthermore, the vacuum SHS materials display features such as high porosity, visible voids and preservation of their original shape, in contrast to the SHS atmospheric pressure melted products. As a result, the products from the atmospheric SHS method exhibit higher compressive strength.