ساخت سخت‌ترین سپر حرارتی هواپیما‌های مافوق صوت در چین

گروهی از محققان چینی از دانشگاه گوانگژو سرامیک متخلخل جدیدی با استحکام و خواص عایق حرارتی بالا ساخته اند که می تواند در هواپیماهای مافوق صوت استفاده شود.

به گزارش ایسنا، دانشمندان چینی از دانشکده علوم و مهندسی مواد دانشگاه گوانگژو، سرامیک متخلخل جدیدی تولید کرده اند که می تواند برای مهندسی هوافضا، انرژی و شیمی انقلابی باشد.

طبق گزارش South China Morning Post (SCMP)، این ماده دارای استحکام مکانیکی بالا و خواص عایق حرارتی عالی است که آن را برای هواپیماهای مافوق صوت ایده آل می کند.

مواد سرامیکی متخلخل به دلیل وزن سبک، بی اثری شیمیایی و هدایت حرارتی کم به طور فزاینده ای برای ساخت عایق های حرارتی مورد توجه قرار می گیرند که آنها را به عایق های خوبی تبدیل می کند.

دستیابی به مقاومت مکانیکی و عایق حرارتی بالا در سرامیک های متخلخل چالش برانگیز است، زیرا منافذ بیشتر معمولاً منجر به استحکام مکانیکی کمتر می شود.

مواد متخلخل معمولی می توانند در دماهای بالا استحکام خود را از دست داده و منقبض شوند و برای کاربردهای هوافضا نامناسب شوند. برای این منظور، تیمی از دانشکده علوم و مهندسی مواد دانشگاه گوانگژو نوع جدیدی از سرامیک را توسعه داده اند که بر محدودیت های سرامیک های سنتی غلبه می کند. این سرامیک دارای طراحی ساختاری چند مقیاسی است.

چو، نویسنده ارشد این مطالعه می گوید: سرامیک ما PHEB-9 نام دارد و ابعاد و استحکام خارق العاده خود را تا 2000 درجه سانتیگراد حفظ می کند و برای استفاده در شرایط فشار بالا مناسب است. سرامیک PHEB 9 یا “دیبورید کاتیونی متخلخل با آنتروپی بالا” با مخلوط کردن 9 جزء بر اساس مفهوم آنتروپی بالا ایجاد می شود که همه آنها کاتیونی هستند، یعنی یون های دارای بار مثبت.

چو در مقاله خود به علاقه روزافزون به طراحی با آنتروپی بالا با مواد سرامیکی از زمان آغاز به کار آن در سال 2015 به دلیل پتانسیل آن برای ایجاد ریزساختارهای منحصر به فرد و خواص قابل تنظیم اشاره کرد. سرامیک PHEB 9 دارای تخلخل حدود 50 درصد است، با این حال استحکام فشاری آن در دمای اتاق تقریباً 337 مگاپاسکال است که آن را به طور قابل توجهی قوی تر از سرامیک های متخلخل گزارش شده قبلی می کند.

این سرامیک در تست های عایق و پایداری حرارتی عملکرد خوبی داشت و 98.5 درصد استحکام خود را در دمای 1500 درجه سانتیگراد حفظ کرد.

سرامیک های HPEB 9 برخلاف سرامیک های شکننده سنتی تغییر شکل پلاستیک را در دمای 2000 درجه سانتی گراد نشان دادند. هنگامی که این ماده در دماهای بالا تغییر شکل می‌دهد، کشش 49 درصدی را تجربه می‌کند که استحکام آن را به 690 مگاپاسکال افزایش می‌دهد که بیش از دو برابر استحکام اولیه آن است.

این سرامیک پس از گرم شدن در دمای 2000 درجه سانتیگراد حدود 2.4 درصد کوچک شد اما حجم و ابعاد آن به دلیل حرارت زیاد بدون تغییر باقی ماند.

چو توضیح داد که خواص مکانیکی و حرارتی سرامیک به دلیل طراحی «چند مقیاسی» آن است که شامل منافذ بسیار ریز در مقیاس میکرو، رابط‌های با کیفیت بالا در مقیاس نانو و اعوجاج شبکه‌ای شدید در مقیاس اتمی است.

اندازه و توزیع منافذ در ریزساختارهای سرامیکی برای طراحی آن بسیار مهم است. به گفته دانشمندان، 92 درصد از منافذ بسیار کوچک هستند و اندازه آنها تنها 0.8 تا 1.2 میکرومتر است که آنها را از نظر خواص عایق حرارتی منحصر به فرد می کند.

این سرامیک دارای اتصالات قوی بدون نقص در مقیاس نانو است که باعث افزایش استحکام مکانیکی می شود. اعوجاج شبکه ناشی از طراحی با آنتروپی بالا در مقیاس اتمی، سفتی را بهبود می بخشد و هدایت حرارتی را کاهش می دهد.

مناسب برای شرایط سخت

به گفته محققان، این ویژگی ها استحکام مکانیکی و عایق حرارتی این ماده را افزایش داده و آن را برای شرایط سخت مناسب می کند.

ژوانگ لی، دانشیار دانشکده علوم و مهندسی مواد، اظهار داشت که این ماده کاربردهای گسترده ای در صنایع هوافضا، انرژی و مهندسی شیمی دارد.

این تیم یافته های خود را در مجله معتبر Advanced Materials منتشر کرده است.