پیشرفت ناسا هزینه کامپوزیت های سرامیکی هوافضا را کاهش می دهد

کلیولند، اوهایو — مرکز تحقیقات گلن ناسا پیشرفت قابل توجهی در فناوری کامپوزیت ماتریس سرامیکی (CMC) اعلام کرده است که می‌تواند هزینه‌های تولید را به طور چشمگیری کاهش دهد و در عین حال عملکرد را در محیط‌های شدید بهبود بخشد. این توسعه نوید تسریع پذیرش در بخش‌های هوافضا و انرژی را می‌دهد.

کامپوزیت‌های ماتریس سرامیکی مواد سرامیکی را با الیاف تقویت‌کننده ترکیب می‌کنند تا موادی با خواص استثنایی ایجاد کنند:

• مقاومت حرارتی برتر: یکپارچگی ساختاری را در دماهایی که فلزات از کار می‌افتند حفظ می‌کند و امکان عملکرد کارآمدتر موتور را فراهم می‌آورد.
• مقاومت در برابر اکسیداسیون: در برابر محیط‌های خورنده که مواد معمولی را تخریب می‌کنند مقاومت می‌کند.
• سبکی قابل توجه: تا یک سوم وزن قطعات فلزی قابل مقایسه.

این ویژگی‌ها کامپوزیت‌های ماتریس سرامیکی را برای قطعات موتور جت، نازل‌های موشک و تجهیزات تولید برق که دماهای بالا و شرایط سخت غالب هستند، ایده‌آل می‌سازد.

علیرغم مزایای آنها، سه عامل پذیرش گسترده کامپوزیت‌های ماتریس سرامیکی را محدود کرده است:

• فرآیندهای تولید چند مرحله‌ای پیچیده که نیاز به کنترل دقیق دارند.
• مواد تخصصی با هزینه بالا مانند الیاف کاربید سیلیکون.
• الزامات تضمین کیفیت سختگیرانه برای کاربردهای حیاتی.

تیم تحقیق یک پوشش مانع محیطی نوآورانه (EBC) را توسعه داده است که:

• مقاومت در برابر اکسیداسیون بخار بیش از ۵۰۰ ساعت در دمای ۱۴۸۲ درجه سانتیگراد (۲۷۰۰ درجه فارنهایت) را نشان داده است.
• از تکنیک‌های تولید ساده شده‌ای استفاده می‌کند که هزینه‌های تولید را کاهش می‌دهد.
• دوام را تحت چرخه حرارتی و تنش مکانیکی حفظ می‌کند.

این پیشرفت پوشش، مکانیسم اصلی شکست در کاربردهای کامپوزیت‌های ماتریس سرامیکی - تخریب سطح ناشی از قرار گرفتن در معرض بخار با دمای بالا - را برطرف می‌کند.

این فناوری می‌تواند چندین بخش را متحول کند:

• هوانوردی: بهبود بالقوه ۱۵ درصدی در راندمان موتور جت از طریق دماهای عملیاتی بالاتر.
• سیستم‌های فضایی: افزایش عمر قطعات برای وسایل نقلیه پرتابی قابل استفاده مجدد.
• تولید برق: توربین‌های گازی کارآمدتر با انتشار آلایندگی کمتر.

تحلیلگران بازار پیش‌بینی می‌کنند که بخش کامپوزیت‌های ماتریس سرامیکی می‌تواند ظرف یک دهه به ۲۵ میلیارد دلار برسد زیرا این مواد از نظر اقتصادی مقرون به صرفه‌تر می‌شوند.

فرمولاسیون جدید EBC بهبود قابل توجهی نسبت به پوشش‌های اسپری پلاسمای هوا (APS) معمولی است. در حالی که APS مقرون به صرفه باقی می‌ماند، جایگزین ناسا محافظت برتری را با موارد زیر ارائه می‌دهد:

• افزایش استحکام پیوند بین لایه‌های پوشش.
• مقاومت بهبود یافته در برابر شوک حرارتی.
• سازگاری بهتر با مواد زیرلایه.

تحقیقات جاری بر موارد زیر تمرکز دارد:

• کاهش بیشتر هزینه از طریق بهینه‌سازی تولید.
• گسترش قابلیت‌های مواد برای کاربردهای انرژی هسته‌ای.
• توسعه پروتکل‌های آزمایش استاندارد برای پذیرش صنعت.

با غلبه این مواد پیشرفته بر محدودیت‌های هزینه تاریخی خود، آنها آماده‌اند تا نقش فزاینده‌ای حیاتی در سیستم‌های حمل و نقل و انرژی پایدار ایفا کنند.