از فضا تا زمین با کامپوزیت های زمینه سرامیکی
کامپوزیت های زمینه سرامیکی (CMC) زیرمجموعه ای از مواد کامپوزیتی و سرامیک های فنی هستند . این کامپوزیت ها از پراکنده شدن الیاف در یک زمینه سرامیکی تشکیل شده ، که در نهایت به این نوع سرامیک ها ، سرامیک های تقویت شده با الیاف گفته می شود .
زمینه و الیاف می تواند از جنس سرامیک های گوناگونی باشند (کربن و الیاف کربن نیز به عنوان ماده سرامیکی در نظر گرفته می شوند) .
کاربرد کامپوزیت های زمینه سرامیکی در هوافضا
در وسایل نقلیه فضایی ، سیستم سپر حرارتی برای چند دقیقه در معرض دمای بالاتر از 1500 درجه سانتیگراد قرار می گیرد ؛ دمایی که فقط مواد سرامیکی بدون آسیب دیدگی جدی ، قادر به تحمل آن بوده و در بین سرامیک ها ، فقط CMC ها می توانند شوک های حرارتی را به طور کارآمد کنترل کنند.
مزایای استفاده از CMC :
- کاهش وزن
- ظرفیت حمل بار بیشتر سیستم
- قابلیت استفاده مجدد برای چندین بار ورود
در کاربرد های ذکر شده ، درجه حرارت بالا ، مانع استفاده از CMC هایی با الیاف اکسیدی (مانند سیلیکون کاربید آمورف) می شود ؛ زیرا در اثر نیرو های موجود ، خزش بسیار زیادی رخ خواهد داد.
الیاف سیلیکون کاربید آمورف به دلیل تبلور مجدد در دمای بالاتر از 1250 درجه سانتیگراد ، استحکام خود را از دست می دهند ؛ حال برای رفع این محدودیت ، از الیاف کربن در یک ماتریس سیلیکون کاربیدی استفاده می شود.
کاربرد کامپوزیت های زمینه سرامیکی به عنوان دیسک ترمز
کامپوزیت های کربن-کربن (C/C) در دیسک های ترمز اتومبیل مسابقه و هواپیما به کار برده می شود ؛ همچنین دیسک های ترمز C/SiC نیز برای خودرو های لوکس ، در بازار های تجاری موجود هستند.
مزایای دیسک های C/SiC :
- سایش بسیار کم
خودرو معمولی ای که 300,000 کیلومتر رانندگی می کند ، به طور مادام العمر توانایی استفاده از این دیسک ترمز را دارد ! - خشک نشدن تحت فشار زیاد
- مقاومت بسیار بهتر در برابر خوردگی نسبت به دیسک های فلزی
- سبک بودن - جرم این دیسک فقط 40٪ جرم دیسک فلزی است !
کاهش وزن ناشی از دیسک سرامیکی باعث راحتی در جاده ، چابکی ، افزایش راندمان سوخت و در نتیجه راحتی رانندگی می شود .
زمینه SiC در این دیسک های ترمز ، میزان تخلخل بسیار پایینی داشته و به خوبی از الیاف کربن محافظت می کند . دیسک های ترمز C/SiC در طول عمر کارکردشان فقط چند ساعت دمای بالای 500 درجه سانتیگراد را تجربه کرده ، در نتیجه اکسیداسیون مشکلی برای آن ها ایجاد نمی کند.
در صورتی که هزینه های ساخت کاهش پیدا کند، این نوع از دیسک های ترمز می توانند در خودروهای طبقه متوسط نیز با موفقیت به کار گرفته شوند .
کاربرد کامپوزیت های زمینه سرامیکی در توربین های گازی
موتور توربین های گازی شامل قسمت های زیر است :
- یک کمپرسور برای فراهم کردن جریانی از هوای فشرده
- یک محفظه احتراق برای اشتعال سوخت
- یک توربین برای دریافت انرژی حرارتی ناشی از احتراق و تبدیل آن به انرژی مکانیکی از طریق چرخش شفت
بسیاری از قسمت های محفظه احتراق و توربین ، در معرض مستقیم گاز های احتراقی داغ هستند . از طرفی با افزایش دمای احتراق ، قدرت و بازدهی توربین افزایش می یابد ؛ توربین های احتراقی مدرن و با راندمان بالا، دماهای احتراق بالای C 1600 ̊ را تحمل می کنند ، دمایی که کاملا بالای "دمای ایمن" عملکرد مواد به کار رفته ، در اجزای مسیر هدایت کنندهی جریان گاز داغ است.
روش های متفاوتی برای امکان استفاده از این مواد در این دمای بالا به کار گرفته شده که شامل استفاده از سرمایش توسط فیلمی از سیال ، سرمایش از عقب توسط سیال و پوشش های مانع حرارت است.
حال کامپوزیت های زمینه سرامیکی (CMC) در مقایسه با آلیاژ های فلزی ، به دلیل ماهیت ذاتی مواد سرامیکی ، پتانسیل به کارگیری در دما های بالاتری را دارند.
" استفاده از کامپوزیت های زمینه سرامیکی به معنای کاهش نیاز به تجهیزات خنک کننده و در نتیجه توان و راندمان بالاتر و کاهش انتشار امواج است "
مقایسه کامپوزیت های زمینه سرامیکی با فلزات
کامپوزیت های زمینه سرامیکی استحکام فلزات را نداشته به همین دلیل قسمت های ساخته شده از این مواد تقریبا ضخیم هستند. به دلیل ضریب هدایت حرارتی پایین و نیاز به ضخامت نسبتا بالا ، استفاده از " چرخه سرمایش از عقب " به عنوان تکنیکی برای سرمایش این مواد و محافظت از آن ها در توربین ها، اغلب بی فایده است ؛ کامپوزیت های زمینه سرامیکی نیاز به " عایق های دما بالا " دارند زیرا این عایق ها از لحاظ ابعادی و شیمیایی تا حدود C 1600 ̊ پایدار هستند.
" کامپوزیت های زمینه سرامیکی برای غلبه بر تردی ذاتی و قابلیت اطمینان مکانیکی پایینِ سرامیک های یکپارچه ایجاد شدند "
تقویت کننده ها موجب افزایش خواص متفاوتی نظیر سختی و مقاومت به شوک حرارتی می گردند . هنگام قرارگیری قطعه تحت بار، الیاف موجود در کامپوزیت سبب پل زدن ترک های زمینه می شوند ؛ این مکانیزم تنها زمانی رخ می دهد که زمینه بتواند در امتداد الیاف بلغزد، یعنی اتصال بین زمینه و الیاف باید ضعیف باشد.
موارد کاربرد کامپوزیت های زمینه سرامیکی در توربین های گازی
به دلیل تردی کمتر نسبت به سرامیک های مونولیتیک، وزن کم و مقاومت در برابر دما های بالا ، از کامپوزیت های زمینه سرامیکی در قسمت های مختلف توربین گازی مانند پره های ثابت ، پره های متحرک، محفظه احتراق و shroud استفاده می شود.
منابع:
