سيراميك الكربيد الجديد: المفضل الجديد لطلاء الطائرات فوق الصوتي

النقل الأسرع من الصوت (SST) هو النقل الأسرع من سرعة الصوت. وبصفة عامة، فإن النقل الذي يقل رقم ماخه عن 1 هو النقل دون الصوتي، ورقم ماخ أكبر من 1.2 هو النقل الأسرع من الصوت، ورقم ماخ أكبر من 5 هو النقل الأسرع من الصوت. وقد اجتذبت الطائرة الأسرع من الصوت انتباه واهتمام العديد من مصنعي الطائرات بسبب سرعتها وكفاءتها الأعلى من الطائرات المدنية العادية، ولم تتوقف الأبحاث حول الجيل الجديد من الطائرات الأسرع من الصوت. ومع ذلك، سيواجه تطوير جيل جديد من الطائرات الأسرع من الصوت الاقتصادية والموثوقة العديد من التحديات مع تقنيات الطيران الحالية.

الوضع البحثي للطائرات الأسرع من الصوت

* الحرارة

نحن نعلم أن المركبة تتعرض لدرجات حرارة عالية ناجمة عن التسخين الديناميكي الهوائي وغاز المحرك والإشعاع الصادر من الشمس في الفضاء. بالنسبة للطائرات التي تحلق في الهواء لفترة طويلة، تصل سرعة بعض الطائرات التي تحلق في الجو لفترة طويلة إلى ثلاثة أضعاف سرعة الصوت. يجب أن تتمتع المواد المستخدمة في درجات الحرارة العالية بقوة ثبات جيدة في درجات الحرارة العالية، وقوة زحف، وقوة إجهاد حراري، ومقاومة عالية للأكسدة، ومقاومة عالية للأكسدة، ومقاومة للتآكل الحراري في الهواء ووسط التآكل، ويجب أن تتمتع بثبات هيكلي طويل الأمد تحت درجة حرارة عالية. ولذلك، غالبًا ما تتضمن بيئة درجات الحرارة المرتفعة المتضمنة في مجال تكنولوجيا الطيران كلاً من درجات الحرارة العالية وتدفق الهواء عالي السرعة وجفاف الجسيمات.

على سبيل المثال، نحن نعلم أنه ستكون هناك درجة حرارة عالية تتراوح بين 2000 ~ 3000 درجة مئوية على سطح الطائرة عندما تحلق بسرعة 5 ماخ، في حين أن مادة طلاء الطائرة سهلة التلف في التحلل في درجات الحرارة العالية. يجب حل مشكلة تراكم الحرارة على سطح الطائرة لتطوير طائرة أسرع من الصوت. وقد اكتشف العلماء الآن طلاء جديد من السيراميك الكربوني يمكن أن يساعد في تسريع الطائرة الأسرع من الصوت.

* مادة الطلاء

لكي تتمكن الطائرة من التحليق بسرعات تفوق سرعة الصوت، من الضروري حماية مكونات سطحها من أضرار الهواء الناجمة عن الضغط العالي والمكونات الهيكلية الناجمة عن الاحتكاك. في الوقت الحالي، يتم استخدام المواد الصلبة غير المعدنية لتغطية سطح الهيكل، حيث يمكن أن تظل هذه المواد الصلبة غير المعدنية مستقرة في درجات الحرارة العالية. ومع ذلك، فإن مواد الطلاء الخزفية التقليدية هذه فعالة في مقاومة الحرارة ولكن يمكن أن تتدهور بسهولة.

يُستخدم ثنائي بوريد الزركونيوم ثنائي البولي بروبيلين على نطاق واسع في مواد الطلاء ذات درجات الحرارة العالية للطائرات لأنه يمكن أن يقاوم الأكسدة في درجات الحرارة العالية ويتميز بكثافة منخفضة وتكلفة منخفضة. ومع ذلك، هناك جانب سلبي قاتل يتمثل في أن البورون الموجود في ثنائي بوريد الزركونيوم يعزز من انحلال ذرات البورون عندما تتأكسد ذرات البورون، مع عواقب وخيمة محتملة.

سيراميك كربيد السيراميك الجديد الذي يعمل بالطاقة الأسرع من الصوت

أظهرت الدراسات أن أي مادة تتعرض لدرجات حرارة عالية بما فيه الكفاية سوف تتحلل وتتساقط سلاسلها الجزيئية، ويمكن أن يحدث "الاجتثاث" إذا تم شطفها بالجسيمات بسرعات عالية.

وكما نعلم، فإن الكربيد هو أكثر المواد مقاومة للحرارة في الوقت الحاضر، والذي يتمثل في الصيغة العامة MxCy. وفقًا لخصائص M، ينقسم الكربيد تقريبًا إلى كربيد معدني وكربيد معدني غير معدني. سيراميك الكربيد هو سيراميك الهيكل الأكثر استخدامًا، مثل كربيد السيليكون وكربيد الزركونيوم وكربيد البورون وكربيد التنغستن. وقد استُخدمت المواد الخزفية المذكورة أعلاه ذات درجة الانصهار العالية والصلابة العالية والاستقرار الكيميائي الجيد في العديد من المجالات في الاقتصاد الوطني.

الائتمان: ناسا

يمكن لمواد طلاء الكربيدات المطورة حديثًا أن تمنح الطلاء بنية فائقة القوة ومقاومة للأكسدة ويمكنها مقاومة الاجتثاث والأكسدة في بيئة ذات درجة حرارة عالية. وقد ثبت أن إدخال السيراميك في مركبات مصفوفة الكربون المقواة بألياف الكربون قد يكون طريقة فعالة لتحسين مقاومة الصدمات.

يتم ترسيب الطلاء الجديد، وهو عبارة عن سبيكة ثلاثية من الزركونيوم والتيتانيوم والكربون والبورون، في مركبات الكربون من خلال عملية تعرف باسم الاختراق التفاعلي الذائب. وعلى الرغم من أن لها خصائص مماثلة لسيراميك الكربيد الأخرى، إلا أن تركيز البورون المنخفض نسبيًا يجعلها أقل عرضة للاستئصال، كما أن بنية الكربون تساعد على منع المادة من التمزق تحت الصدمة الحرارية. تُظهر النتائج التجريبية أن طلاء الكربيد يُظهر مقاومة أفضل للاجتثاث تحت 2000 ~ 3000 ℃.

إمكانية تطبيق طلاء السيراميك الكربيد الجديد من السيراميك

في الوقت الحاضر، يُستخدم الطلاء الجديد على نطاق واسع في مجال الطيران، وهو أكثر أمانًا من المواد التقليدية لأن المركبات الفضائية يمكن أن تتعرض لمخاطر درجات الحرارة القصوى أثناء مرورها عبر الغلاف الجوي.

قال الرئيس التنفيذي لشركة بوينج دينيس إن طائرات الركاب الجديدة الأسرع من الصوت يمكن أن تكون في السماء خلال العقد المقبل، مما يقلل من وقت السفر بنسبة تصل إلى 700%. في الوقت الحالي، تحلق الطائرات المدنية بشكل عام بسرعة دون سرعة الصوت، وبمجرد أن تتحقق الطائرة المدنية الأسرع من الصوت، سيقل وقت السفر العالمي بشكل كبير، مما يسهل على الناس التواصل. على الرغم من أن الطائرة الأسرع من الصوت لم تُستخدم على نطاق واسع في حياتنا، إلا أن اكتشاف مادة الطلاء هذه سيساعد بلا شك في أن تصبح الطائرات الأسرع من الصوت تجارية في وقت أقرب!