سپر حرارتی فوق پیشرفته چین، محدودیت حرارتی در پرواز مافوق صوت را شکست

سرامیک کاربیدی تیم چینی می‌تواند تا دمای ۳۶۰۰ درجه سانتیگراد را تحمل کند و پتانسیل بالایی برای حوزه‌های هوافضا و انرژی ارائه می‌دهد. دانشمندان چینی یک سرامیک کاربیدی ساخته‌اند که قادر به تحمل دما تا ۳۶۰۰ درجه سانتیگراد (۶۵۱۲ درجه فارنهایت) در یک محیط اکسیدکننده است و از محدودیت‌های حرارتی فعلی در پرواز مافوق صوت فراتر می‌رود .   این توسعه پتانسیل قابل توجهی برای کاربرد در هوافضا ، انرژی و سایر زمینه‌های با دمای بسیار بالا دارد.   هواپیماهای مدرن مافوق صوت و موتورهای پیشرفته به موادی نیاز دارند که بتوانند یکپارچگی ساختاری خود را در شرایط حرارتی شدید حفظ کنند. با این حال، اکثر مواد در دمای بسیار پایین‌تر از ۳۰۰۰ درجه شروع به تجزیه می‌کنند. آلیاژهای فلزی معمولاً در دماهای بالاتر از ۲۰۰۰ درجه تخریب می‌شوند و در حالی که کامپوزیت‌های کربن-کربن می‌توانند تا ۳۰۰۰ درجه را در محیط‌های خنثی تحمل کنند، در هوا در دمای ۳۷۰ درجه به سرعت شروع به اکسید شدن می‌کنند که منجر به افت شدید عملکرد مکانیکی می‌شود.

چو یانهوی، استاد دانشگاه فناوری جنوب چین، گفت: "تیم ما برای اولین بار در سطح جهان از طریق طراحی چند جزئی با آنتروپی بالا، از این حد طولانی مدت فراتر رفته است. سرامیک کاربیدی که ما توسعه دادیم، متشکل از عناصری مانند هافنیوم، تانتالوم، زیرکونیوم و تنگستن، در دمای ۳۶۰۰ درجه سانتیگراد تحت تابش لیزر، نرخ اکسیداسیون بسیار پایین‌تری نسبت به هر ماده گزارش شده قبلی نشان می‌دهد." این تحقیق در تاریخ ۵ ژوئن در مجله Advanced Materials منتشر شد. عملکرد استثنایی این ماده ناشی از ساختار لایه اکسید منحصر به فرد آن است. از آنجا که عناصر مختلف موجود در این ماده، میل ترکیبی متفاوتی با اکسیژن در دماهای بالا دارند و تنگستن به ویژه در برابر اکسیداسیون مقاوم است این ماده یک لایه اکسید متراکم تشکیل می‌دهد.   این لایه شامل یک اسکلت مبتنی بر تنگستن است که توسط اکسیدهای عناصر دیگر پر شده است. اکسیدهای با ویسکوزیته بالا، تنگستن را در بر می‌گیرند و آن را از اکسیداسیون بیشتر محافظت می‌کنند و در عین حال به عنوان سدی عمل می‌کنند که از نفوذ اکسیژن به اعماق ماده جلوگیری می‌کند. 

به طور سنتی، آزمایش مواد برای مقاومت حرارتی شدید نیازمند آزمایش‌های تونل باد پرهزینه و زمان‌بر است.   برای غلبه بر این مشکل، تیم چو یک پلتفرم آزمایش لیزری با توان عملیاتی بالا توسعه داد که می‌تواند نمونه‌های مواد را به سرعت تا نزدیک به ۳۸۰۰ درجه در مرکز گرم کند. این سیستم، همراه با ابزارهای تحلیلی کمکی، امکان غربالگری کارآمد مقاومت اکسیداسیون مواد را فراهم می‌کند. چو گفت: آن ماده فقط می‌توانست ۲۰۰۰ درجه سانتیگراد را تحمل کند و در برابر اکسیداسیون مقاوم نبود. استفاده از آن محدود به یک لایه عایق و فقط در مناطقی بود که از تماس مستقیم با هوا محافظت می‌شدند.   با این حال، این سرامیک کاربیدی جدید می‌تواند مستقیماً به عنوان یک لایه محافظ خارجی برای فضاپیماها یا در سیستم‌های انرژی برای مقاومت در برابر قرار گرفتن در معرض دمای بالا استفاده شود. او گفت: این اولین بار در سطح جهان است که دمای کارکرد یک ماده پایه به ۳۶۰۰ درجه سانتیگراد رسیده و مانع دیرینه ۳۰۰۰ درجه‌ای را که سال‌ها صنعت را به چالش کشیده بود، شکسته است.

او ادامه داد: «به عنوان یک ماده پایه، سرامیک می‌تواند به صورت کامپوزیت تولید شود یا به عنوان پوشش استفاده شود. کاربردهای بالقوه آن شامل اجزای هوافضا، سیستم‌های محافظت از سلاح‌ها و حتی لیتوگرافی نیمه‌هادی است که در آن می‌تواند اجزا را از تابش پلاسما محافظت کند.»   در حال حاضر، هزینه تولید این ماده در محدوده قابل کنترلی باقی مانده است. این تیم در حال حاضر با شرکای صنعتی برای ایجاد خطوط تولید و بررسی کاربردهای غیرنظامی همکاری می‌کند. چو با نگاهی به آینده گفت که این تیم در حال ادغام هوش مصنوعی برای کمک به بهینه‌سازی ترکیب عنصری سرامیک‌ها است و هدف آن بهبود بیشتر عملکرد است.