ابداع مستحکم‌ترین سرامیک جهان/ سپر گرمایی هواپیما‌های مافوق صوت سرامیکی می‌شود 

به گزارش خبرگزاری علم و فناوری آنا به نقل ازاینترستینگ اینجینیرینگ، دانشمندان چینی سرامیک متخلخل جدیدی ابداع کرده‌اند که می‌تواند مهندسی هوافضا، انرژی و شیمی را متحول کند. این ماده دارای استحکام مکانیکی بالا و خواص عایق حرارتی بسیار مطلوبی است که می‌تواند آن را برای ساخت هواپیما‌های مافوق صوت ایده‌آل کند.

مواد سرامیکی متخلخل به دلیل برخورداری از وزن سبک، خنثایی شیمیایی و رسانایی حرارتی کم، برای ساخت عایق‌های حرارتی مورد توجه قرار گرفته اند. دستیابی به مقاومت مکانیکی و عایق حرارتی بالا در سرامیک‌های متخلخل چالش برانگیز است؛ چراکه هر چه منافذ بیشتر باشد، مقاومت مکانیکی کاهش می‌یابد.

مواد متخلخل معمولی در دما‌های بالا استحکام خود را از دست داده و منقبض شوند و از این رو برای صنایع هوافضا کاربرد ندارند. اکنون گروهی از پژوهشگران دانشکده علوم و مهندسی مواد دانشگاه گوانگژو چین نوع جدیدی از سرامیک را ابداع کرده اند که بر محدودیت‌های سرامیک‌های سنتی غلبه می‌کند. 

این سرامیک نوین که «۹PHEB» نام دارد، ابعاد و استحکام فوق العاده‌ی خود را تا دمای دو هزار درجه سانتیگراد حفظ می‌کند؛ قابلیتی که این ماده را برای استفاده در شرایط شدید و سخت مناسب می‌کند.

۹PHEB یا «دیبورید متخلخل ۹ کاتیونی با آنتروپی بالا» با مخلوط کردن ۹ جزء بر اساس مفهوم آنتروپی بالا ایجاد می‌شود. اجزایی که همه کاتیونی هستند، یعنی یون‌هایی با بار مثبت.

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، قوی‌تر از سرامیک‌های متخلخل پیشین می‌کند.

این سرامیک در بررسی‌های عایق و پایداری حرارتی، به خوبی عمل کرده و ۹۸.۵ درصد استحکام خود را در دمای ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد حفظ کرد.

۹HPEB برخلاف سرامیک‌های سنتی شکننده، تغییر شکل خمیری را در دمای دو هزار درجه سانتیگراد نشان داد. هنگامی این ماده در دما‌های بالا تغییر شکل می‌دهد، کشیدگی ۴۹ درصدی را تجربه می‌کند که استحکام آن را به ۶۹۰ مگاپاسکال افزایش می‌دهد یعنی بیش از دو برابر استحکام اولیه اش.

این ماده پس از بازپخت در دمای دوهزار درجه سانتیگراد، حدود ۲.۴ درصد کوچک شد، اما حجم و ابعاد آن در اثر گرمای زیاد بدون تغییر باقی ماند. خواص مکانیکی و حرارتی سرامیک به دلیل طراحی «چند مقیاسی» آن است که شامل منافذ بسیار ریز در مقیاس میکرو، رابط‌های با کیفیت بالا در مقیاس نانو و تغییرات شدید شبکه ساختاری در مقیاس اتمی می‌شود.

اندازه و توزیع منافذ در ریزساختار‌های سرامیک برای طراحی آن بسیار مهم است. مجریان این طرح می‌گویند 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 بی نظیر می‌کند. 

این سرامیک دارای اتصالات قوی و بدون نقص در مقیاس نانو است که استحکام مکانیکی را افزایش می‌دهد. در مقیاس اتمی، تغییرات شبکه ساختاری ناشی از طراحی آنتروپی بالا، سفتی را بهبود بخشیده و رسانایی حرارتی را کاهش می‌دهد.

به گفته پژوهشگران، این ویژگی‌ها استحکام مکانیکی و عایق حرارتی مواد را افزایش می‌دهد و آن را برای استفاده در شرایط سخت مناسب می‌کند. 

نتایج این تحقیقات در نشریه Advanced Materials منتشر شده است.