يمكن للطائرات بالموجات فوق الصوتية في المستقبل أن تقلل بشكل كبير من وقت الرحلات العابرة للقارات: من موسكو إلى نيويورك ، سيكون من الممكن الطيران في غضون ثلاث ساعات ، ولكن واحدة من أهم المشكلات في تطورها هي حماية المكونات الحيوية ، مثل إصبع القدم (الحافة الأمامية) وهدية الرأس (الأنف) ) وغرف الاحتراق للمحركات النفاثة. بسرعات 5 أو أكثر من الماخ ، فإنها تخضع للأكسدة القوية ودرجات الحرارة القصوى ، والتي تصل إلى 2000-3000 درجة مئوية (يتوافق رقم الماك مع سرعة الصوت: على سبيل المثال ، على ارتفاع 11 كم يكون 295 م / ث أو 1062 كم / ساعة).
في السنوات الأخيرة ، كان هناك عمل نشط على إنشاء الطلاء الخزفي ، لكن أفضلها كان قادرًا على تحمل درجة حرارة منخفضة نسبيًا من 1200-1500 درجة مئوية ، وبعد ذلك تبخرت بعض العناصر من مادة الطلاء نتيجة لعملية
الاجتثاث ، أي أنه تم انتهاك هيكل الطلاء. الآن قامت مجموعة من العلماء من
معهد رويس في جامعة مانشستر (بريطانيا العظمى) والجامعة المركزية الجنوبية (الصين)
بتطوير مادة جديدة ذات خصائص محسنة يمكنها تحمل درجات حرارة تصل إلى 3000 درجة مئوية دون تغييرات هيكلية. هذا هو طلاء خزفي Zr
0.8 Ti
0.2 C
0.74 B
0.26 ، والذي يتم تطبيقه على مصفوفة مركب الكربون / الكربون C / C باستخدام تسلل ذوبان تفاعلي وتدعيم.
في خصائصه ، يتجاوز الطلاء الجديد بشكل كبير أفضل أنواع السيراميك ذات درجة الحرارة العالية (السيراميك ذو درجات الحرارة العالية للغاية ، UHTC) ، ناهيك عن عينات من الماضي. على سبيل المثال ، تم تغطية الأجزاء السفلية والجانبية لسطح هيكل بوران بالبلاط الخزفي TZMK-10 و TZMK-25 مع درجة حرارة تشغيل تصل إلى 1250 درجة مئوية. كان للنظيرين الأمريكيين Li-900 و Li-2200 نفس الخصائص تقريبًا. طلاء خزفي من Zr
0.8 Ti
0.2 C
0.74 B
0.26 على مركب كربون الكربون يتحمل 3000 درجة مئوية. إنه ترتيب بحجم أفضل من كربيد الزركونيوم (ZrC) ، والذي يستخدم اليوم تقليديا لأدوات قطع الطلاء.
على سبيل المثال ، يوضح الرسم البياني أدناه مقاومة الاجتثاث (MAR و LAR) لمختلف المواد المقاومة للحرارة التي يتم استخدامها اليوم في الصناعة والطيران والملاحة الفضائية. أجريت الاختبارات في آلة قطع الأسيتيلين والأكسجين. كما ترون ، فإن Zr
0.8 Ti
0.2 C
0.74 B
0.26 (علامات دائرية في الحقل الأخضر) تفوق بشكل كبير جميع المواد الأخرى في اختبارات لفترات مختلفة وفي درجات حرارة مختلفة. يعني MAR معدل الاجتثاث الشامل ، أي معدل تبخر مادة الطلاء. LAR (معدل الاجتثاث الخطي) يعني معدل الاجتثاث الخطي ويتوافق مع الاستقرار المكاني للمادة. على سبيل المثال ، يفقد ZrC عند درجة حرارة 2500 درجة مئوية 1.10 مجم من الكتلة لكل سنتيمتر مربع في الثانية ، و Zr
0.8 Ti
0.2 C
0.74 B
0.26 - 0.14 مجم فقط.
في اختبارات أخرى من 2000 إلى 2500 درجة مئوية ، تُظهر المادة فقدانًا للوزن تقريبًا أو اكتسابًا للوزن (بسبب الأكسدة) ، مما يعني مقاومة ممتازة للحرارة واستئصالًا ضئيلًا في تيار غاز ساخن.
تظهر الصور السطح الرمادي الداكن للمادة قبل الاختبار ، وكذلك السطح بعد اختبارات دقيقتين عند 2000 درجة مئوية و 2500 درجة مئوية. في وسط العينة الصحيحة توجد المنطقة التي وصلت فيها درجة حرارة اللهب إلى 3000 درجة مئوية. هناك آثار الاجتثاث والانتفاخ أقل من 72 ميكرون بسبب تبخر الأكاسيد مع نقطة انصهار منخفضة ، ولكن لا توجد تجاويف وحفر على السطح بسبب الاجتثاث.
تم تطوير المادة في المملكة المتحدة ، وتم تصنيعها في معهد مسحوق المعادن بجامعة جنوب وسط الصين. يؤكد الباحثون على أن استخدام العملية التكنولوجية مع التسلل الذائب التفاعلي يقلل بشكل كبير من الوقت اللازم للتصنيع. والابتكار المهم الثاني هو تطبيق مركب الكربون والكربون على المصفوفة ، مما زاد بشكل كبير من مقاومة الحرارة للسيراميك.
يلعب التركيب الكيميائي للسيراميك المقاوم للحرارة في حد ذاته دور آلية الحماية. عند درجة حرارة 2000 درجة مئوية ، تتم أكسدة Zr
0.8 Ti
0.2 C
0.74 B
0.26 و SiC وتحويلها إلى Zr
0.80 T
0.20 O
2 و B
2 O
3 و SiO
2 ، على التوالي. Zr
0.80 Ti
0.20 O
2 يذوب جزئيًا ويشكل طبقة كثيفة نسبيًا ، وتتبخر الأكسيدات ذات نقطة انصهار منخفضة SiO
2 و B
2 O
3 عبر "قنوات الإخلاء" ، فتحات (انظر الشكل أدناه). عند درجة حرارة أعلى من 2500 درجة مئوية ، تذوب بلورات Zr
0.80 Ti
0.20 O
2 إلى تشكيلات أكبر ، وتغلق ثقوب (الشكل
ب أدناه). عند درجة حرارة 3000 درجة مئوية ، يتم تكوين طبقة خارجية كثيفة تمامًا تقريبًا ، تتكون أساسًا من Zr
0.80 Ti
0.20 O
2 ، تيتانات الزركونيوم و SiO
2 (الشكل
ج ،
ه أدناه).
يمكن أن تجد حماية الاجتثاث الجديدة التطبيق ليس فقط في الطائرات العسكرية والمدنية الأسرع من الصوت ، ولكن أيضًا في المركبات الفضائية ، ووحدات الفضاء العائدة ، والصواريخ ، والصواريخ ، ومحركات الطائرات ، وما إلى ذلك. بالطبع ، يمكن استخدامها لتغطية أسطح العمل في التدريبات والمطاحن و الأدوات الأخرى المعرضة لدرجة حرارة عالية - لقوة ومتانة المنتج.
تم نشر المقال العلمي "كربيد مقاوم للتآكل Zr
0.8 Ti
0.2 C
0.74 B
0.26 للبيئات المؤكسدة حتى 3000 درجة مئوية" في 14 يونيو 2017 في مجلة
Nature Communications (doi: 10.1038 / ncomms15836).