پیشرفت جدید مواد مقاوم در برابر گرما، پرواز های فراصوتی را پیش می برد

تلاش بشریت برای سرعت هرگز متوقف نشده است. از عرادهای باستانی که با اسب کشیده می شوند تا هواپیماهای مدرن، ما به طور مداوم مرزهای فیزیکی را برای کاهش فاصله ها و افزایش بهره وری افزایش می دهیم.پرواز هايپرسونيک، که نشان دهنده اوج سرعت است، همچنان یک هدف مشتاق در مهندسی هوافضا است.

تصور کنید که از لندن به سیدنی سفر کنید نه در ۲۰ ساعت، بلکه در ۵۰ دقیقه. این داستان علمی تخیلی نیست بلکه آینده ای ملموس است که با پیشرفت های تکنولوژی های فراصوت ممکن شده است.دستیابی به این چشم انداز چالش های قابل توجهی را به همراه دارد. گرما شدید تولید شده توسط اصطکاک هوا در طی پرواز هایبرصوتی به مواد با مقاومت حرارتی بی سابقه ای نیاز دارد که باعث ایجاد یک تنگنایی حیاتی در توسعه می شود.

راه حل در مواد انقلابی قرار دارد: کاربید تانتالوم (TaC) و کاربید هافنیوم (HfC).این سرامیک های آتش شکن با عملکرد فوق العاده در دمای بالا، مرزهای علوم مواد را دوباره تعریف می کنند.، فراهم کردن پایه برای نسل بعدی وسایل نقلیه هیپرسونیک.

سرامیک های آتش شکن یک کلاس از مواد طراحی شده برای مقاومت در برابر دماهای شدید هستند.این مواد نقش مهمی در صنایع با دمای بالا دارند، هوافضا و کاربردهای هسته ای.

• نقاط ذوب استثنایی:حفظ یکپارچگی ساختاری در دماهایی که مواد معمولی شکست می خورند
• ثبات شیمیایی:مقاومت در برابر اکسیداسیون و خوردگی در محیط های خشن
• مقاومت به شوک حرارتی:مقاومت در برابر نوسانات سریع دمای بدون ترک
• سختي بالا:نشان دادن مقاومت برتر در برابر فرسایش و فرسایش
• گسترش حرارتی کم:کاهش تغییرات ابعاد در طول تغییرات دمایی

• تجهیزات صنعتی با درجه حرارت بالا (فورم، خازن، پوشش ترموکوپل)
• سیستم های حفاظت حرارتی هوافضا
• اجزای راکتور هسته ای
• ابزار برش و پوشش های مقاوم در برابر فرسایش
• زیربناهای الکترونیکی و بسته بندی

این سرامیک های درجه حرارت فوق العاده بالا (UHTCs) نشان دهنده لبه برش مواد آتش شکن هستند، با رکورد شکستن نقاط ذوب و خواص مکانیکی استثنایی.

• فرمول:TaC
• ساختار کریستالی:مکعب با مرکز چهره
• نقطه ذوب:3768°C (6814°F)
• سختي:۹ تا ۱۰ درجه مو
• ویژگی های کلیدی:رسانایی حرارتی استثنایی در ترکیب با ثبات در دمای بالا

• فرمول:HfC
• ساختار کریستالی:مکعب با مرکز چهره
• نقطه ذوب:3958°C (7156°F) ️ بالاترین نقطه ذوب شناخته شده هر ماده ای
• سختي:۹ تا ۱۰ درجه مو
• ویژگی های کلیدی:مقاومت اکسیداسیون عالی در دمای شدید

برای دهه ها، اندازه گیری دقیق نقاط ذوب این مواد به دلیل محدودیت های تکنولوژیکی غیرممکن بود.روش های سنتی نمی تواند درجه حرارت مورد نیاز را بدون معرفی آثار اندازه گیری به دست آورد.

محققان دانشگاه امپریال لندن پیشگام یک تکنیک گرمایش مبتنی بر لیزر بودند که در نهایت اندازه گیری های دقیق را امکان پذیر ساخت. مطالعه سال 2020 آنها که در گزارش های علمی منتشر شده است نشان داد:

• TaC در 3768 °C ± 50 °C ذوب می شود
• HfC در 3958°C ± 50°C ذوب می شود

این پیشرفت HfC را به عنوان بالاترین ماده ی ذوب شده ای که تاکنون ثبت شده است تایید کرد و امکان های جدیدی را برای کاربردهای محیط های شدید باز کرد.

پرواز هايپرسونيک (بيشتر از ماخ 5) سه چالش اصلي را به وجود مي آورد:

1. مانع حرارتی:دمای سطحی بیش از 3000 درجه سانتیگراد در طول پرواز
2. بوم سونیک:اختلال اتمسفر ناشی از امواج شوک
3. بهره وری سوخت:الزامات انرژی بالا برای سرعت های ابرصوتی پایدار

TaC و HfC مهمترین چالش مدیریت حرارتی را حل می کنند. به عنوان کاندیدای پیشرو برای سیستم های حفاظت حرارتی (TPS) ، این مواد امکان:

• حفاظت از سازه های غلاف هواپیما از گرمایش آیرودینامیک
• طول عمر عملیاتی طولانی تر از طریق مقاومت در برابر فرسایش
• کاهش وزن محافظ حرارتی، بهبود ظرفیت بار مفید

کاربردهای بالقوه فراتر از وسایل نقلیه هیپرسونیک است:

• فضاپیما:لبه های پیشرو و مخروط های بینی برای ورود مجدد به جو
• انرژی هسته ای:پوشش سوخت برای راکتورهای نسل بعدی
• صنعتی:سنگ شکن ها برای پردازش مواد در دمای بسیار بالا
• تولید:ابزار برش برای ماشین آلات فوق فلزات

با پیشرفت تکنیک های سنتز مواد، این سرامیک های فوق شعله کش وعده می دهند که فناوری هایی را که قبلاً غیرممکن در نظر گرفته می شد، امکان پذیر کنند. تحقیقات جاری بر روی:

• توسعه فرمولاسیون های ترکیبی برای افزایش مقاومت
• بهبود مقاومت در برابر اکسیداسیون برای افزایش عمر
• کاهش هزینه های تولید برای پذیرش گسترده

ازدواج علم مواد و مهندسی هوافضا از طریق TaC و HfC نشان دهنده یک تغییر پارادایم در توانایی ما برای کار در محیط های شدید است،خواب سفر هايپرسونيك رو به حقيقت مي رسونه.