چین سخت‌ترین سپر حرارتی هواپیماهای مافوق صوت را ساخت/ عکس
دانشمندان چینی از دانشکده علوم و مهندسی مواد دانشگاه گوانگژو، سرامیک متخلخل جدیدی تولید کرده‌اند که می‌تواند برای مهندسی هوافضا، انرژی و شیمی انقلابی باشد.
به نقل از ساوث چاینا مورنینگ پست(SCMP)، این ماده دارای استحکام مکانیکی بالا و خواص عایق حرارتی متعالی است که آن را برای هواپیماهای مافوق صوت ایده‌آل می‌کند.
یک تعادل خوب
مواد سرامیکی متخلخل به دلیل وزن سبک، بی‌اثر بودن شیمیایی و رسانایی حرارتی کم به طور فزاینده‌ای برای ساخت عایق‌های حرارتی مورد توجه قرار می‌گیرند که آنها را به عایق‌های خوبی تبدیل می‌کند.
دستیابی به مقاومت مکانیکی و عایق حرارتی بالا در سرامیک‌های متخلخل چالش‌برانگیز است، زیرا منافذ بیشتر معمولاً منجر به کاهش مقاومت مکانیکی می‌شود.
مواد متخلخل معمولی می‌توانند در دماهای بالا استحکام خود را از دست بدهند 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 داده‌اند که بر محدودیت‌های سرامیک‌های سنتی غلبه می‌کند. این سرامیک دارای طراحی ساختاری چند مقیاسی است.
چو سرپرست این مطالعه می‌گوید: سرامیک ما ۹PHEB نام دارد و ابعاد و استحکام فوق‌العاده خود را تا دمای ۲۰۰۰ درجه سانتیگراد حفظ می‌کند که آن را برای استفاده در شرایط پرفشار مناسب می‌کند. سرامیک ۹PHEB یا «دی‌بورید متخلخل ۹ کاتیونی با آنتروپی بالا» با مخلوط کردن ۹ جزء بر اساس مفهوم آنتروپی بالا ایجاد می‌شود که همه آنها کاتیونی، یعنی یون‌هایی با بار مثبت هستند.
چو در مقاله خود به علاقه روزافزون به طراحی آنتروپی بالا با مواد سرامیکی از زمان شروع آن در سال ۲۰۱۵ به دلیل پتانسیل آن برای توسعه ریزساختارهای منحصر به فرد و خواص قابل تنظیم اشاره کرد. سرامیک ۹PHEB حدود ۵۰ درصد تخلخل دارد، با این حال استحکام فشاری آن در دمای اتاق تقریباً ۳۳۷ مگاپاسکال است که آن را به طور قابل توجهی از سرامیک‌های متخلخل گزارش شده قبلی قوی‌تر می‌کند.
این سرامیک در آزمایش‌های عایق و پایداری حرارتی به خوبی عمل کرد و ۹۸.۵ درصد استحکام خود را در دمای ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد حفظ کرد.
سرامیک ۹HPEB برخلاف سرامیک‌های سنتی شکننده، تغییر شکل پلاستیکی را در دمای ۲۰۰۰ درجه سانتیگراد نشان داد. هنگامی که این ماده در دماهای بالا تغییر شکل می‌دهد، کشش ۴۹ درصدی را تجربه می‌کند که استحکام آن را به ۶۹۰ مگاپاسکال یعنی بیش از دو برابر استحکام اولیه آن افزایش می‌دهد.
این سرامیک پس از دمادهی در دمای ۲۰۰۰ درجه سانتیگراد حدود ۲.۴ درصد منقبض شد، اما حجم و ابعاد آن در اثر گرمای زیاد بدون تغییر باقی ماند.
چو توضیح داد که خواص مکانیکی و حرارتی این 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 شدید شبکه در مقیاس اتمی است.
اندازه و توزیع منافذ در ریزساختارهای سرامیک برای طراحی آن بسیار مهم است. به گفته دانشمندان، ۹۲ درصد از منافذ بسیار ریز هستند و اندازه آنها فقط ۰.۸ تا ۱.۲ میکرومتر است که آنها را از نظر خواص عایق حرارتی بی‌نظیر می‌کند.
این سرامیک دارای اتصالات قوی و بدون نقص در مقیاس نانو است که استحکام مکانیکی را افزایش می‌دهد. اعوجاج شبکه ناشی از طراحی آنتروپی بالا در مقیاس اتمی، سختی را بهبود می‌بخشد و رسانایی حرارتی را کاهش می‌دهد.
مناسب برای شرایط خشن
به گفته پژوهشگران، این ویژگی‌ها استحکام مکانیکی و عایق حرارتی این ماده را افزایش می‌دهد و آن را برای شرایط سخت مناسب می‌کند.
ژوانگ لی، دانشیار دانشکده علوم و مهندسی مواد اظهار داشت که این ماده کاربردهای گسترده‌ای در صنایع هوافضا، انرژی و مهندسی شیمی دارد.
این تیم یافته‌های خود را در مجله معتبر Advanced Materials منتشر کرده است.
227227