การแสวงหาความเร็วของมนุษยชาติไม่เคยหยุดนิ่ง ตั้งแต่รถม้าโบราณไปจนถึงเครื่องบินสมัยใหม่ เราผลักดันขอบเขตทางกายภาพอย่างต่อเนื่องเพื่อลดระยะทางและเพิ่มประสิทธิภาพ การบินที่มีความเร็วเหนือเสียงซึ่งเป็นตัวแทนของความเร็วสูงสุด ยังคงเป็นเป้าหมายอันเป็นที่ต้องการในวิศวกรรมการบินและอวกาศ
ลองนึกภาพการเดินทางจากลอนดอนไปซิดนีย์ไม่ใช่ภายใน 20+ ชั่วโมง แต่ใช้เวลาเพียง 50 นาที นี่ไม่ใช่นิยายวิทยาศาสตร์ แต่เป็นอนาคตที่จับต้องได้ที่เกิดขึ้นได้ด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีความเร็วเหนือเสียง อย่างไรก็ตาม การบรรลุวิสัยทัศน์นี้ถือเป็นความท้าทายที่สำคัญ ความร้อนสูงที่เกิดจากการเสียดสีของอากาศระหว่างการบินด้วยความเร็วเหนือเสียงนั้นต้องการวัสดุที่มีความต้านทานความร้อนอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน ทำให้เกิดปัญหาคอขวดที่สำคัญในการพัฒนา
วิธีแก้ปัญหาอยู่ที่วัสดุที่ปฏิวัติวงการ ได้แก่ แทนทาลัมคาร์ไบด์ (TaC) และแฮฟเนียมคาร์ไบด์ (HfC) เซรามิกทนไฟเหล่านี้กำลังกำหนดขอบเขตของวัสดุศาสตร์ใหม่ด้วยประสิทธิภาพที่อุณหภูมิสูงเป็นพิเศษ ถือเป็นรากฐานสำหรับยานยนต์ที่มีความเร็วเหนือเสียงรุ่นต่อไป
เซรามิกทนไฟเป็นวัสดุประเภทหนึ่งที่ออกแบบมาให้ทนทานต่ออุณหภูมิที่สูงเกินไป วัสดุเหล่านี้มีบทบาทสำคัญในอุตสาหกรรมที่มีอุณหภูมิสูง การบินและอวกาศ และนิวเคลียร์ โดยมีจุดหลอมเหลวสูงเป็นพิเศษ ความเสถียรทางเคมี และความต้านทานการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ
เซรามิกอุณหภูมิสูงพิเศษ (UHTC) เหล่านี้เป็นตัวแทนของคมตัดของวัสดุทนไฟ โดยมีจุดหลอมเหลวที่ทำลายสถิติและคุณสมบัติทางกลที่ยอดเยี่ยม
| คุณสมบัติ | แทค | เอชเอฟซี |
|---|---|---|
| จุดหลอมเหลว | 3768°ซ | 3958°ซ |
| ความหนาแน่น | 14.5 ก./ซม.³ | 12.7 ก./ซม.³ |
| การนำความร้อน | 23 วัตต์/เมตร·เค | 21 วัตต์/เมตร·เค |
| ความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชัน | ดี | ยอดเยี่ยม |
เป็นเวลาหลายทศวรรษแล้วที่การวัดจุดหลอมเหลวของวัสดุเหล่านี้อย่างแม่นยำพิสูจน์แล้วว่าเป็นไปไม่ได้เนื่องจากข้อจำกัดทางเทคโนโลยี วิธีการแบบดั้งเดิมไม่สามารถบรรลุอุณหภูมิที่ต้องการได้หากไม่มีอุปกรณ์ในการวัด
นักวิจัยของ Imperial College London เป็นผู้บุกเบิกเทคนิคการให้ความร้อนด้วยเลเซอร์ซึ่งช่วยให้สามารถตรวจวัดได้อย่างแม่นยำในที่สุด การศึกษาในปี 2020 ของพวกเขาที่ตีพิมพ์ในรายงานทางวิทยาศาสตร์เปิดเผยว่า:
ความก้าวหน้าครั้งนี้ยืนยันว่า HfC เป็นวัสดุที่มีจุดหลอมเหลวสูงที่สุดเท่าที่เคยมีการบันทึกมา เปิดความเป็นไปได้ใหม่สำหรับการใช้งานในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง
การบินด้วยความเร็วเหนือเสียง (เกิน 5 มัค) นำเสนอความท้าทายหลักสามประการ:
TaC และ HfC จัดการกับความท้าทายด้านการจัดการระบายความร้อนที่สำคัญที่สุด ในฐานะตัวเลือกชั้นนำสำหรับระบบป้องกันความร้อน (TPS) วัสดุเหล่านี้ช่วยให้:
การใช้งานที่เป็นไปได้มีมากกว่ายานพาหนะที่มีความเร็วเหนือเสียง:
ในขณะที่เทคนิคการสังเคราะห์วัสดุก้าวหน้าไป เซรามิกทนไฟพิเศษเหล่านี้สัญญาว่าจะใช้เทคโนโลยีที่ก่อนหน้านี้ถือว่าเป็นไปไม่ได้ การวิจัยที่กำลังดำเนินอยู่มุ่งเน้นไปที่:
การผสมผสานระหว่างวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมการบินและอวกาศผ่าน TaC และ HfC แสดงให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงกระบวนทัศน์ในความสามารถของเราในการทำงานในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง ทำให้ความฝันของการเดินทางด้วยความเร็วเหนือเสียงตามปกติเข้าใกล้ความเป็นจริงมากขึ้น
