CerChamber

Opracowanie metody wytwarzania ceramicznych i kompozytowych komór spalania

Akronim: CerChamber
Numer projektu: NOR/SGS/CerChamber/0236/2020-00
Okres realizacji projektu: 1.09.2021 – 1.09.2023
Dofinansowanie: 903 119,55 zł (198 479,09 EUR)

Operator programu: Narodowe Centrum Badań i Rozwoju
Źródło finansowania: Fundusze Norweskie i Fundusze Europejskiego Obszaru Gospodarczego (EOG)
Kierownik projektu: dr inż. Magdalena Gizowska
e-mail: magdalena.gizowska@icimb.lukasiewicz.gov.pl

Cel projektu: 
Celem projektu jest opracowanie technologii wytwarzania komór spalania z azotku krzemu, azotku krzemu wzmocnionego cząstkami węglika krzemu oraz azotku krzemu

 wzmocnionego włóknami węglowymi dla lotnictwa i techniki kosmicznej. Uzyskane materiały zostaną przebadane w skali laboratoryjnej pod względem mikrostruktury, właściwości termicznych i mechanicznych. Materiały, których właściwości predestynują je do zastosowania jako komory spalania, zostaną wytypowane do dalszych badań ukierunkowanych na zachowanie się materiału w warunkach pracy. 
Opracowana technologia zostanie wykorzystana do wytworzenia ceramicznych komór spalania, które zostaną przekazane do badań w warunkach pracy silnika rakietowego klasy 500 N zasilanego „zielonym” paliwem nowej generacji.

Oczekiwane rezultaty: 
Projekt przyczynia się do rozwoju wiedzy i kompetencji w dziedzinie ceramiki beztlenkowej. Cel projektu ma charakter czysto aplikacyjny i posiada duży potencjał do dalszego rozwoju. Kluczowym czynnikiem jest również fakt, że Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Ceramiki i Materiałów Budowlanych jest jednym z niewielu ośrodków w Polsce posiadających infrastrukturę i technologię umożliwiającą produkcję tego typu materiałów. Opracowanie metody wytwarzania ceramicznej komory spalania przyczyni się do podniesienia prestiżu Instytutu Ceramiki i Materiałów Budowlanych. 
W wyniku badań prowadzonych w ramach projektu zostanie zaprojektowana i przetestowana pełnowymiarowa komora spalania z ceramiki i kompozytów ceramicznych do zastosowania w rakietach napędzanych zielonym paliwem nowej generacji. Komory spalania mogą być wykorzystane w systemach opracowanych przez Łukasiewicz - Instytut Lotnictwa, który potwierdził zainteresowanie wynikami projektu i chciałby kontynuować współpracę obu placówek w zakresie rozwoju komór spalania po zakończeniu projektu.
Dodatkowo, wyniki badań uzyskanych w projekcie zostaną wykorzystane do przygotowania co najmniej dwóch publikacji w czasopismach branżowych. Publikacje te będą dotyczyły głównie metody wytwarzania oraz właściwości materiału. Po zakończeniu projektu planowane są kolejne publikacje skupiające się na aspektach aplikacyjnych.  

Streszczenie projektu: 
Projekt dotyczy opracowania ceramicznych i kompozytowych komór spalania dla potrzeb lotnictwa i technologii kosmicznej. W tym celu wybrano trzy rodzaje materiałów, dla których zostanie opracowana technologia wytwarzania:
- materiałów ceramicznych z azotku krzemu 
- kompozyty na osnowie azotku krzemu wzmocnione cząstkami węglika krzemu 1-30 %wag.
- kompozyty na osnowie azotku krzemu wzmocnione włóknami węglowymi 1-30 %wag.
Azotek krzemu należy do grupy ceramiki nietlenkowej. W takich materiałach wiązania chemiczne pomiędzy atomami mają charakter kowalencyjny, dlatego nawet w wysokich temperaturach mobilność atomów, a w konsekwencji dyfuzyja materii, jest niewielka. W związku z tym azotek krzemu nie wykazuje dobrej spiekalności. 
Ze względu na skomplikowany kształt dysz rakietowych, nie można bezpośrednio stosować żadnych technik prasowania na gorąco, zwykle stosowanych do produkcji tych materiałów. Technologia wytwarzania materiałów do produkcji komór spalania zostanie opracowana na drodze spiekania proszków. Z tego powodu niezbędne jest wprowadzenie środków pomocniczych do spiekania, które albo spowodują spiekanie materiału drogą fazy ciekłej, albo zwiększą dyfuzyjność materiału w wysokiej temperaturze.
Proszki w postaci granulatów zawierające substancje pomocnicze do formowania i spiekania będą zagęszczane izostatycznie, a następnie spiekane w atmosferze ochronnej bezciśnieniowo i zagęszczane w warunkach wysokiej temperatury i wysokiego ciśnienia przy techniki HIP (z ang. Hot Isostatic Pressing). Materiały te zostaną scharakteryzowane pod względem ich właściwości termicznych i mechanicznych, co pozwoli na zaprojektowanie próby w warunkach dynamicznych. Pełnowymiarowe ceramiczne i kompozytowe komory spalania zostaną poddane testom na stanowisku do badania silników rakietowych o ciągu 500N. Właściwości dysz prototypowych uzyskanych w zaprojektowanej technologii zostaną zweryfikowane w warunkach pracy.

Strona programu: https://www.gov.pl/web/ncbr-en/small-grant-scheme-2020-call

Development of ceramic and ceramic composite combustion chamber fabrication

Project Acronym: CerChamber
Project number: NOR/SGS/CerChamber/0236/2020-00
Implementation period: 1.09.2021 – 1.09.2023
Co-financing: EUR 198 479,09

Programme Operator: the National Centre for Research and Development
Finance fund: EEA and Norway Grants 2014-2021
Project manager: Magdalena Gizowska PhD.Eng.
e-mail: magdalena.gizowska@icimb.lukasiewicz.gov.pl

Project objectives:
The goal of the project is to develop the fabrication technology of silicon nitride, silicon nitride reinforced with silicon carbide particles, silicon nitride reinforced by carbon fibers combustion chambers for aviation and space technology. The obtained materials will be tested on a laboratory scale in terms of their microstructure, thermal and mechanical properties. Materials, which properties will predestine them for application as combustion chamber, will be selected for further researches focused on the performance of the material in working conditions. 
The designed technology will be used to fabricate ceramic chambers which will be submitted for testing in conditions of green bi-propellant 500 N class rocket engine.

Expected results:
The subject of the project contributes to the development of knowledge and expertise in the field of non-oxide ceramics. The project goal has purely application character and has great potential for further development. The key factor is also the fact that Łukasiewicz Research Network – Institute of Ceramics and Building Materials is one of the few facilities in Poland with infrastructure and technology enabling the production of these kinds of materials. The development of the ceramic combustion chamber fabrication method will contribute to gaining of prestige of the Łukasiewicz – Institute of Ceramics and Building Materials. 
In the result of the researches carried out within the project a full-scale ceramic and ceramic composite combustion chamber for application in rockets fuelled with green bi-propellant will be designed and tested. The combustion chambers can be used in systems developed by Łukasiewicz – Institute of Aviation, which confirmed an interest in the results of the project and would like to continue the cooperation between the two facilities on the development of combustion chambers after the completion of the project.
Additionally, the work results obtained within the project will be used to prepare at least two publications. The manuscripts will concern mainly the fabrication method design and the properties of the material. After the completion of the project, other publications focused on application aspects are planned.  

Project Abstract:
The project concerns the development of ceramic and ceramic composite combustion chambers for aviation and space technology. Three types of materials were selected for this purpose, for which fabrication technology will be developed:
- silicon nitride ceramics 
- silicon nitride matrix composites reinforced by silicon carbide particles 1-30wt%
- silicon nitride matrix composites reinforced by carbon fibers 1-30wt%.
Silicon nitride belongs to the group of non-oxide ceramics. In such materials dominant type of chemical bonding between atoms is covalent, thus even in high temperatures the mobility of atoms and consequently matter diffusivity is small. As a result, silicon nitride does not show good sinterability. Due to the complex shape of the rocket nozzles, no hot pressing techniques, usually used for production of these materials, can be applied directly. The technology for fabrication method of the materials will be modified for the production of combustion chambers by powder metallurgy. For this reason, it is indispensable to introduce sintering aids which will either cause sintering of the material by liquid phase rout or increase the diffusivity of the material at high temperature.
The granulated powders containing forming and sintering additives will be compacted isostatically and subsequently sintered in protective atmosphere pressurelessly and densified in conditions of high-temperature and high pressure using Hot Isostatic Pressing technique. The materials will be characterized in terms of their thermal and mechanical properties which will allow the design of test at dyno. The full scale ceramic and ceramic composite combustion chambers will be subjected to tests at the stand for testing the thrust 500N class rocket engines. The properties of the prototypes nozzles obtained by the designed technology will be validated in the working conditions.

Programme website: https://www.gov.pl/web/ncbr-en/small-grant-scheme-2020-call