این پوشش یکی از بزرگترین مانع‌ها برای ساخت هواپیماهای سوپرسونیک را از سر راه بر می‌دارد
پوششی که بتواند ۳ هزار درجه سلسیوس را تاب بیاورد کاربردهای بسیاری خواهد داشت. اینگونه ماده‌ها به ویژه در صنایع هوا فضا و نظامی کاربردهای فراوانی دارند.
پژوهشگران دانشگاه منچستر و دانشگاه CSU چین این پوشش سرامیکی تازه را ساخته‌اند.
موادی که در معرض دماهای بسیار بالا قرار می‌گیرند با دو مشکل بزرگ روبرو می‌شوند:
مولکول‌های ماده در دمای بالا با اکسیژن واکنش می‌دهند و ساختار مولکولی ماده دگرگون می‌شود.
مولکول‌های ماده در دمای بالا شل می‌شوند و خودبه‌خود در هم می‌شکنند. به ویژه اگر در سرعت بالا به ذرات دیگر نیز برخورد کنند، این فرایندِ تخریب، شتاب می‌گیرد.
این پوشش سرامیکی تازه، ماده را در برابر این دو مشکل بیمه می‌کند!
در هواپیماهای سوپرسونیک که باید با سرعتی تا چند برابر سرعت صوت پرواز کنند، اگر بخواهیم هواپیما سوخاری شده به مقصد نرسد، باید از بدنه‌ی آن به خصوص لبه‌های جلویی که با "هوای فشرده اتمسفر" برخورد می‌کنند، در برابر گرمای بسیاری که از این برخورد تولید می‌شود، محافظت کنیم.
گرمایی که با برخورد این هوای فشرده با بدنه در سرعت‌های سوپرسونیک (۶۱۷۴ تا ۱۲۳۴۸ کیلومتر بر ساعت)به وجود می‌آید، می‌تواند تا ۳ هزار درجه سلسیوس بالا برود.
پیش بینی می‌شود که این هواپیماهای سوپرسونیک در دهه‌ی آینده به پرواز درآیند و مسافران را در ۲ ساعت از لندن به نیویورک ببرند!
با توجه به تجربه تلخ هواپیمای کنکورد، به عنوان نخستین هواپیمای فراصوت تجاری، برای ساخته شدن این هواپیماهای سوپرسونیک هنوز باید مشکلات تکنیکی بسیاری از سر راه برداشته شود.
حفاظت از آنها در برابر گرما یکی از بزرگترین این چالش‌ها بوده است.
راه حل کنونی، پوشش دادن آنها با سرامیک‌های ultra-high temperature ceramics (UHTCs) است که ماده‌های جامد غیر فلزی هستند و می‌توانند دماهای بالای ۲ هزار درجه را نیز تب بیاورند.
یکی از این UHTC ها که معمولا برای پوشش دادن مته‌ها، "قطعات موتور" و "بدنه وسایل سوپرسونیک"، بکار می‌رود، "کاربید زیرکونیوم zirconium carbide (ZrC)" است.
گزینه دیگر برای هواپیماها "دی بورید زیرکونیوم (zirconium diboride (ZrB2" می‌باشد که "هم در برابر اکسیداسیون در دماهای تا ۱۵۰۰ درجه مقاوم است" و "هم کم وزن" و به نسبت ارزان است.
ولی این ماده به خاطر احتمال اکسیداسیون "بورون boron " موجود در ترکیب خود، با خطر تخریب روبرو است. و روشن است که تخریب یک ماده در هواپیما چقدر می‌تواند فاجعه آمیز باشد.
پس این ماده نمی‌تواند گزینه مناسبی برای هواپیماهایی که می‌خواهند با سرعت ۵ ماخ پرواز کنند، باشد.
ولی پژوهش تازه به ساخت شکل تازه‌ای از "سرامیک کاربیدی" انجامیده است که کارایی بسیار بیشتری دارد و می‌تواند گرما‌های به وجود آمده از پروازهای سوپرسونیک را تیز تاب بیاورد. این سرامیک تبخیر را کاهش داده و در برابر اکسیداسیون نیز مقاومتر است.
همچنین نشان داده شده که ساختن کامپوزیت‌های "ماتریس کربنی" با این سرامیک و "کربن‌های تقویت شده با فیبرکربن"، شاید راه موثری برای افزایش مقاومت در برابر شوک‌های حرارتی نیز باشد.
این پوشش تازه، "ترکیب چهارتایی کاربید" است که از زیرکون، تیتانیوم، کربن و بورون تشکیل می‌شود. این چهار ماده با فرایندی به نام reactive melt infiltration در یک کامپوزیت کربنی قرار می‌گیرند.
این ماده تازه با اینکه مشخصاتی مانند UHTC های دیگر دارد ولی به خاطر تجمع کمتر بورون در ترکیب، بسیار کمتر در معرض اکسیداسیون و تخریب قراردارد و همچنین ساختار کربنی این ماده موجب می‌شود تا به نسبت موادی چون ZrB2 در برابر شوک‌های حرارتی بیشتر تاب آورد.
بر پایه‌ی گزارش پژوهشگران آزمایش‌ها نشان داده است که این ماده‌ی تازه در دماهای ۲ هزار تا ۳ هزار درجه به نسبت گزینه‌های کنونی این صنعت یعنی "کاربیدهای زیرکونیومی" و "دی بوریدها" دوام بسیار بیشتری دارد.
این ماده‌ی تازه ۱۲ برابر ZrB2 در برابر تخریب مقاوم است.
متاسفانه باید بگوییم که تا بهره‌برداری از این ماده در هواپیماهای سوپرسونیک راه درازی داریم. کاربردهای کنونی این ماده در صنایع نظامی و فضایی خواهد بود.
این پژوهش در Nature Communications منتشر شده است.
شاید اینها را نیز بپسندید:
هواپیماهایی با چند برابر سرعت صوت برای جابجایی مسافر
«اسکاندیم» عنصری ویژه با آینده‌ای درخشان
حل یکی از بزرگترین چالش‌های انرژی هسته‌ای
انرژی الکتریکی با کاشی‌های پشت بامی تسلا
مرز پیشرفت فناوری تا کجاست؟
لینک منبع خبر:
This New Ceramic Coating Gets Us Closer to Reliable Hypersonic Air Travel