- No.336 Yunhe Road, Dongying, שאנדונג, סין
חומרים לחלל הם כל מיני חומרים המשמשים במטוסים וביחידות הכוח, האביזרים והמכשירים שלהם, שהם אחד הגורמים המכריעים בפיתוח הנדסת האווירונאוטיקה והטכנולוגיה, וגם מדע החומרים לחלל הוא ענף חלוצי של מדע החומרים.
חומרים לחלל עמידים בצורה מצוינת לטמפרטורות גבוהות ונמוכות, כמו גם בפני הזדקנות וקורוזיה, ויכולים להסתגל לסביבת החלל.
סוגי החומרים השונים המשמשים במטוסים, יחידות הכוח, האביזרים והמכשירים שלהם הם אחד הגורמים המכריעים בפיתוח טכנולוגיית הנדסת האווירונאוטיקה. מדע החומרים בתחום האווירונאוטיקה הוא ענף חלוצי במדע החומרים. תכנון כלי טיס מעלה ללא הרף נושאים חדשים במדע החומרים, ומקדם את התפתחות מדע החומרים בתחום האווירונאוטיקה; הופעתם של מגוון חומרים חדשים מספקת אפשרויות חדשות לתכנון כלי טיס ומקדמת מאוד את התפתחות טכנולוגיית האווירונאוטיקה.
התקדמות חומרי החלל תלויה בשלושה גורמים הבאים:
בנוסף למאמץ גבוה וכוחות אינרציאליים, חומרים בחלל נתונים לעומסי הלם ועומסים מתחלפים הנגרמים מגורמים כמו המראה ונחיתה, רעידות מנוע, סיבוב מהיר של חלקים מסתובבים, טיסה בתמרון ורוחות פתאומיות. גז המנוע וקרינת שמש גורמים למטוס להיות בסביבה בטמפרטורה גבוהה, וככל שמהירות הטיסה עולה, אפקט החימום האווירודינמי מתעצם, וכתוצאה מכך נוצרים "מחסומים תרמיים". בנוסף, גם בכפוף לטמפרטורות מתחלפות, בסטרטוספירה במהירויות תת-קוליות, טמפרטורת פני השטח תרד לכ-50- מעלות צלזיוס, בשטח סביבת החורף הקשה במעגל הקוטב הטמפרטורה תהיה מתחת ל-40- מעלות צלזיוס, רכיבים מתכתיים או צמיגי גומי נוטים להתפרק. בנזין, נפט ודלקים אחרים וחומרי סיכה שונים, שמן הידראולי, רוב חומרי המתכת גורמים לקורוזיה, חומרים לא מתכתיים גורמים לנפיחות, וקרינת שמש, סחף רוח וגשם, סביבה לחה תת-קרקעית לאחסון עובש לטווח ארוך תאיץ את תהליך ההזדקנות של חומרי פולימר.
כלי רכב חלליים פועלים באטמוספירה או בחלל החיצון במשך זמן רב, ומשרתים בסביבות קיצוניות אך גם בעלי אמינות ובטיחות גבוהות במיוחד, יכולת טיסה ותמרון מצוינים, בנוסף לאופטימיזציה של המבנה כדי לענות על הצרכים האווירודינמיים, דרישות יכולת העיבוד ודרישות התחזוקה, אך תלויים גם במאפיינים ובתפקודים המצוינים של החומר.
להפחתת מסת המבנה, הפחתה של 30% בצפיפות יעילה יותר מעלייה של 50% בחוזק. סגסוגות אלומיניום, סגסוגות טיטניום וחומרים מרוכבים הם חומרי המבנה העיקריים בתחום התעופה והחלל, בעלי חוזק וקשיחות ספציפיים גבוהים, אשר יכולים לשפר את המטען, יכולת התמרון וטווח הטיסה של כלי הטיס, תוך הפחתת עלות הטיסה.
פלדת חוזק גבוה במיוחד (חוזק כניעה >1380 MPa) לא תשמש ביותר מ-10% מהנדסת התעופה והחלל. עבור מטוסים מודרניים כמו מטוסי קרב על-קוליים, כמות הפלדה בעלת חוזק גבוה במיוחד מתייצבת על 5% עד 10%, וחוזק המתיחה שלה הוא 600 עד 1850 MPa, לפעמים גבוה עד 1950 MPa, עם קשיחות שבר KIc = 78 עד 91 MPa-m1/2. במדיה קורוזיבית פעילה המשמשת בחלקים מבניים נושאי עומס של גוף המטוס, בדרך כלל משתמשים בפלדה עמידה בפני קורוזיה בעלת חוזק גבוה, המצוידת במנועי דלק מימן, בוחרת בפלדה עמידה בפני קורוזיה ללא פחמן כחומר רכיב לשירות במימן נוזלי ובמדיה מימן.
מרוכבים מטריצה מתכתית, מרוכבים מטריצה שרף בטמפרטורה גבוהה, מרוכבים מטריצה קרמית וחומרים מרוכבים פחמן/פחמן משחקים תפקיד חשוב יותר ויותר בתחום התעופה והחלל. מרוכבים פחמן/פחמן משלבים את עמידות הפחמן עם החוזק והקשיחות הגבוהים של סיבי פחמן, בעלי יציבות תרמית מעולה ומוליכות תרמית מצוינת, ועדיין בעלי חוזק וקשיחות ניכרים ב-2500 מעלות צלזיוס, והצפיפות שלהם היא רק רבע מזו של סגסוגות בטמפרטורה גבוהה. מרוכבים היברידיים זוכים לתשומת לב גוברת, כגון הוספת סיבי זכוכית לחומרים מרוכבים מסיבי פחמן שיכולה לשפר את תכונות ההשפעה שלהם, בעוד שהוספת סיבי פחמן לפלסטיק מחוזק בסיבי זכוכית יכולה להגביר את נוקשותו.
רוב החומרים המבניים של חלקי החללית המאוישים עשויים מסגסוגת אלומיניום, סגסוגת טיטניום וחומרים מרוכבים. כמו למשל, מעבורת החלל עשויה בעיקר מסגסוגת אלומיניום. מבנה הדחף של המנוע הראשי עשוי מסגסוגת צ'ין. חלק מהשלדה הראשית של גוף המטוס עשוי מחומרים מרוכבים מסגסוגת אלומיניום מחוזקת בסיבי בורון. דלתות תא המטען עשויות מבנה נייר מיוחד עם חלת דבש וחומר מרוכב שרף אפוקסי מחוזק בסיבי גרפיט כפאנל. ראש הטיל, המשטח החיצוני של מודול הכניסה החוזרת של החללית והמשטח הפנימי של מנוע הרקטות, משתמשים בחומרים אבלטיביים. תחת פעולת זרימת חום, חומרים אבלטיביים יכולים לעבור פירוק, התכה, אידוי, סובלימציה, שחיקה ושינויים פיזיקליים וכימיים אחרים. צריכת מסה של פני החומר גורמת להסרת חום רב. על מנת למנוע כניסה חוזרת לאטמוספירה, החום מתנקז אל פנים הרכב, ומקרר את תא הבעירה והנחיר של מנוע הרקטות. על מנת לשמור על טמפרטורת עבודה מתאימה בתוך תא הנוסעים, יש לנקוט באמצעי הגנה מפני קרינת חום בחלק המשופץ של תא הנוסעים. המעטפת החיצונית עשויה מסגסוגת ניקל או לוחית בריליום עמידה בטמפרטורה גבוהה. המבנה הפנימי עשוי מסגסוגת צ'ין עמידה בחום. המעטפת החיצונית והמבנה הפנימי ממולאים בסיבי קוורץ, קרמיקה מרוכבת מסיבי זכוכית וחומרים אחרים בעלי תכונות בידוד תרמי טובות.
עם היישום והפיתוח המתמשך של טיסות חלל מאוישות, חקר הירח וחקר החלל העמוק, לוויינים ברזולוציה גבוהה, כלי רכב מהירים במיוחד, כלי שיגור רב פעמיים, כלי רכב לתמרון חלל ופרויקטים חלליים אחרים, עולות דרישות חדשות ותובעניות יותר לחומרים, המספקות הזדמנויות חדשות ודחיפה לפיתוח חומרים חדשים לטיסות חלל, ותחום החומרים חייב להיות מוקדם ככל האפשר בחדשנות של מערכות חומרים, הגנה עצמאית על חומרי גלם מרכזיים ויישומים הנדסיים. תחום החומרים חייב לבצע פריצת דרך משמעותית בחדשנות מערכות חומרים, ערובה עצמאית לחומרי גלם מרכזיים ויישומים הנדסיים מוקדם ככל האפשר.
בנוסף, השימוש בחומרים מרוכבים למינציה בהנדסת אווירונאוטיקה והנדסה הולך וגובר, כמו למשל במטוס A380 המשתמש ב-3% GLARE, סוג חדש של למינציה. למינציה היא חומר מרוכב המייצר שני סוגים שונים של חומרים המלומינטים יחד בלחץ, המורכבים בדרך כלל מפאנל עליון, שכבת דבק עליונה, חומר ליבה, שכבת דבק תחתונה ופאנל תחתון, שחוזקם וקשיחותו גבוהים יותר מאלה של חומר פאנל נפרד או חומר ליבה, והוא יושם במטוסי תובלה ובמטוסי קרב. למינציה GLARE מיוצרת בלחץ (או מיכל כבישה חמה) כדי ללמינציה של שכבות מרובות של לוחות אלומיניום דקות ופרפרג חד-כיווני של סיבי זכוכית (ספוגים בדבק אפוקסי) ולחצים בחום, כפי שמוצג באיור 1. יריעת האלומיניום מטופלת מראש כראוי כדי להקל על ההיצמדות לשכבת הפרפרג של הסיבים. טבלה 1 מציגה את סוגי הלמינציות GLARE שניתן לייצר באופן מסחרי, אשר ניתנות לייצור בעוביים שונים בהתאם לצרכים. הסיבים יכולים להיות בני 2, 3, 4 שכבות וכו', ותכולת הסיבים וכיוון הסיבים יכולים להיות בהתאם לטבלה, ולכל סוג של למינציה GLARE יכולות להיות צורות שונות, אותן ניתן להתאים בהתאם לצרכים הספציפיים.
חומרים לחלל אינם רק ערובה חומרית לפיתוח וייצור של מוצרי חלל, אלא גם הבסיס הטכני לקידום חידוש מוצרי חלל. מאופי החומרים עצמם, חומרים לחלל מחולקים לארבע קטגוריות: חומרים מתכתיים, חומרים אנאורגניים לא מתכתיים, חומרים פולימריים וחומרים מרוכבים מתקדמים; בהתאם לשימוש הפונקציונלי, ניתן לחלק אותם לחומרים מבניים וחומרים פונקציונליים בשתי קטגוריות. עבור חומרים מבניים, הדרישות הקריטיות ביותר הן משקל קל, חוזק גבוה ועמידות בפני קורוזיה בטמפרטורה גבוהה; חומרים פונקציונליים כוללים חומרים מיקרואלקטרוניים ואופטואלקטרוניים, חומרים רגישים לחיישנים, חומרים קרמיים פונקציונליים, חומרי סיבים אופטיים, חומרי תצוגה ואחסון מידע, חומרים חמקניים וחומרים חכמים.
עבור חומרים לחלל, הוא כולל 3 קטגוריות עיקריות של חומרים: חומרי גוף למטוסים, חומרי מנוע וחומרי ציוד מוטס. חומרים לחלל כוללים חומרי גוף לחצים של כלי שיגור, חומרים למנועי רקטות, חומרים לחלליות וחומרים פונקציונליים לחלל.
ספציפית ברמת החומרים, חומרים לחלל מכסים מגוון רחב, כולל סגסוגות אלומיניום, סגסוגות טיטניום, סגסוגות מגנזיום וסגסוגות קלות אחרות, פלדות בעלות חוזק גבוה במיוחד, סגסוגות טיטניום בטמפרטורה גבוהה, סגסוגות מבוססות ניקל בטמפרטורה גבוהה, תרכובות אינטר-מתכתיות (מערכת טיטניום-אלומיניום, מערכת ניוביום-אלומיניום, מערכת מוליבדן-סיליקון). מתכות עקשנות וסגסוגותיהן וחומרי מבנה מתכת אחרים בטמפרטורה גבוהה, סיבי זכוכית, סיבי פחמן, סיבי אמיד ארומטיים, סיבים הטרוציקליים ארומטיים, סיבי פוליאתילן בעלי משקל מולקולרי גבוה במיוחד וחומרי חיזוק מרוכבים אחרים, שרף אפוקסי, שרף ביסמלאימיד, שרף פוליאימיד תרמוסטי, שרף פנולי, שרף ציאנט, שרף פוליאריל אצטילן וחומרי מטריצת מרוכבים אחרים, מרוכבים מתקדמים מבוססי מתכת ואנאורגניים שאינם מבוססי מתכת, מרוכבים מתקדמים מבוססי תרכובות אינטר-מתכתיות, חומרים קרמיים מתקדמים, מרוכבים מתקדמים פחמן/פחמן וחומרים פונקציונליים מתקדמים.
תחזית יחס ההרכב של חומרי מבנה גוף המטוס מראה כי החומר הדומיננטי בתחילת המאה ה-21 הוא סגסוגת אלומיניום. הסוגיה הראשונה שיש לפתור בעת פיתוח סגסוגות אלומיניום לטכנולוגיית התעופה והחלל היא כיצד להפחית את המסה המבנית תוך הבטחת אמינות תפעולית גבוהה וביצוע טוב. הבעיה הדחופה שיש לפתור היא פיתוח סגסוגות אלומיניום בעלות חוזק גבוה בעלות תכונות ריתוך טובות והשימוש בהן בייצור מבנים מונוליטיים מרותכים. הדרך להגדיל את מטען הרכב היא להגדיל את החוזק או להפחית את הצפיפות (מבלי להפחית את החוזק).
סגסוגת אלומיניום עם ליתיום מפחיתה את צפיפות הסגסוגת ומגדילה את מודול האלסטיות. יריעות מסגסוגת אלומיניום-ליתיום (Al-Li), כולל יריעות דקות בעובי של פחות מ-0.5 מ"מ, יוצרו על ידי גלגול פס.
השימוש בחומרים מרוכבים מאלומיניום בשכבת בסיס יכול לשפר משמעותית את האמינות, חיי השירות ועומס המטען של מעטפות מטוסים, המאופיינות בשיעורי התפשטות סדקים נמוכים במיוחד (1/20 ~ 1/10 מחומרים קונבנציונליים), חוזק גבוה (עלייה של 50% עד 100%) וקשיחות שבר, וצפיפות נמוכה (הפחתה של 10% עד 15%). חומר מסמרות סדוקות הוא חומר מבטיח מאוד.
במבני מטוסים מודרניים, השימוש בפלדה יציב על 5% עד 10%, בעוד שבמטוסים מסוימים, כמו מטוסי קרב על-קוליים, פלדה היא חומר ייעודי.
פלדות בעלות חוזק גבוה משמשות בדרך כלל ברכיבים מבניים הדורשים קשיחות גבוהה, חוזק סגולי גבוה ועמידות גבוהה לעייפות, כמו גם חוזק טוב בטמפרטורות בינוניות, עמידות בפני קורוזיה ומגוון פרמטרים נוספים. פלדה היא חומר שאין לו תחליף, הן בייצור מוצרים מוגמרים למחצה והן בייצור חלקים מבניים מורכבים, במיוחד בייצור חלקים מבניים מרותכים שבהם ריתוך הוא התהליך הסופי.
במשך זמן רב, הפלדה הנפוצה ביותר בתעשיית ייצור המטוסים היא פלדה בעלת חוזק גבוה בסגסוגת בינונית, עם רמת חוזק של 1600 ~ 1850MPa וקשיחות שבר של כ-77.5 ~ 91MPa/m2. כיום, תוך שמירה על אותו מדד קשיחות שבר, רמת החוזק המינימלית של הפלדה הועלתה ל-1950MPa, אך גם פותחה סגסוגת כלכלית חדשה של פלדת מבנה מרותכת בעלת עמידות גבוהה לסדקים וחוזק גבוה.
כיוון הפיתוח של פלדת חוזק גבוה הוא לשפר עוד יותר את תהליך הייצור המתכתי, לבחור את ההרכב הכימי הטוב ביותר ומפרטי טיפול בחום כדי לפתח רמת ביצועי חוזק של 2100 ~ 2200MPa של פלדת מבנה בעלת אמינות גבוהה.
בתפקיד של חומר קורוזיבי פעיל המשמש בחלקי מבנה של גוף המיסב, במיוחד בתנאי מזג אוויר שונים, נעשה שימוש נרחב בפלדה עמידה בפני קורוזיה בעלת חוזק גבוה. רמת החוזק של פלדה זו דומה לזו של פלדת מבנה מסגסוגת, ופרמטרי האמינות (קשיחות שבר, חוזק סדקים קורוזיה וכו') עולים בהרבה על פלדת מבנה מסגסוגת.
היתרונות של פלדת חוזק גבוה הם: ניתן להשתמש בשיטות ריתוך שונות לביצוע ריתוך, ריתוך חלקים מבניים נושאי עומס, לאחר ריתוך ללא טיפול בחום, בין אם במצב חם ובין אם במצב קר, בעל יכולת ניקוב טובה וכו'.
היישום המבטיח ביותר של חומרי פלדה בעלי חוזק גבוה הוא הסוג המרטנזיטי של פלדה עמידה בפני קורוזיה וחיזוק דלת פחמן, וסוג המעבר של פלדה אוסטנית-מרטנזיטית. מחקרים מראים כי בשמירה על אמינות גבוהה ותנאי ייצור טובים, פלדה זו מסוגלת להגדיל משמעותית את רמת החוזק של פלדה עמידה בפני קורוזיה בעלת חוזק גבוה.
טכנולוגיה וציוד בטמפרטורה נמוכה הם תחום יישום מיוחד של פלדה עמידה בפני קורוזיה בעלת חוזק גבוה וכיוון הפיתוח, מצויד במנועי דלק מימן עבור מטוסים עם סיכויי פיתוח טובים, צריך להיות במימן נוזלי ובתווך מימן לעבודה בפלדה עמידה בפני קורוזיה נטולת פחמן ככיוון המחקר.
הפוטנציאל לשיפור שיעור סגסוגת הטיטניום בחלקי גוף המטוס הוא עצום למדי. על פי תחזיות, שיעור סגסוגת הטיטניום בגוף המטוסים של נוסעים יגיע ל-20%, בעוד ששיעור היישומים בגוף המטוסים הצבאיים יגדל ל-50%? ההנחה היא להבטיח זאת.
לסגסוגת טיטניום חוזק ואמינות גבוהים יותר; משפרת עוד יותר את השימוש בטמפרטורה; עם ביצועי תהליך גבוהים ויכולת ריתוך טובה; יכולה לייצר מגוון מוצרים מוגמרים למחצה; משפרת את צורת המבנה, מפתחת פתרונות עיצוב חדשים, תוך שימוש ככל האפשר בסגסוגות ותהליכים בוגרים במבנה.
השימוש בסגסוגות טיטניום בעלות חוזק גבוה יכול להפחית את מסת המבנה, תוך שיפור יעילות המשקל, האמינות ויכולת העיבוד של המבנה. אנו מתכננים לפתח סגסוגת לוח בעלת חוזק גבוה (1350 מגה פסקל) ויכולת עיבוד גבוהה, שתהיה חזקה פי ארבעה מברזל טהור תעשייתי ובעלת מאפייני תהליך דומים לטיטניום טהור תעשייתי; כמו כן נפתח ונשתמש בסגסוגת טיטניום חזקה תרמית "כמעט אלפא" בעלת חוזק תרמי, יציבות תרמית ואורך חיים גבוהים יותר.
אחד מכיווני הפיתוח של סגסוגות טיטניום הוא פיתוח ושימוש בחוזק תרמי גבוה, במיוחד עם יציבות גבוהה ואורך חיים ארוך של סגסוגת טיטניום בעלת חוזק תרמי "כמעט אלפא". מנוע האוויר מהדור השישי ישתמש בלוחות סגסוגת טיטניום מחוזקים בתמיסה מוצקה ובתרכובת אינטר-מתכתית.
סגסוגת מבוססת תרכובת טיטניום-אלומיניום היא כיוון המחקר העתידי. סגסוגת "γ" חוזקה תרמי ספציפי יותר בטמפרטורה של 700 ~ 900 ℃ בהשוואה לפלדה וסגסוגות חוזק תרמי, אך הפלסטיות ירודה.
הכיוון החדש בפיתוח סגסוגות טיטניום חזקות תרמית הוא השימוש בתרכובות אינטר-מתכתיות מחוזקות בסגסוגות מבוססות תמיסה מוצקה β. סגסוגת זו מאופיינת בחוזק תרמי גבוה ובתכונות פלסטיות משביעות רצון בטמפרטורות של 600 ~ 700 מעלות צלזיוס. בהשוואה לסגסוגות טיטניום קיימות, פיתוח סגסוגת טיטניום מסוג זה יכול להביא לעלייה של 25% עד 30% בחוזק ובחוזק התרמי.
הדגש צריך להיות על אופטימיזציה של הכימיה של הסגסוגות, תהליכי היציקה והדפורמציה. בחירת מפרטים אופטימליים לטיפול בחום ואימוץ שיטות חדשות לתכנון חלקים יאפשרו שימוש בתרכובות אינטר-מתכתיות במבנה של מנועי אוויר וציוד טכנולוגי לחלל, כאשר העלייה בטמפרטורת השירות והפחתת המסה הן גורמים מכריעים.
סמל חשוב המייצג את רמת הפיתוח של טכנולוגיית התעופה והחלל הוא מספר החומרים המרוכבים הפולימריים שבהם נעשה שימוש. לתרכובות פולימריות יש עליונות ברורה מבחינת חוזק ספציפי וקשיחות ספציפית, בשילוב עם תכונות מבניות טובות ותכונות מיוחדות. בתחום התעופה נעשה שימוש נרחב במטוסי איירבוס A3XX? עד 25% מהתרכובות הפולימריות ישתמשו בתרכובות פולימריות.
השימוש בחומרים מרוכבים פולימריים עם פלסטיק מחוזק בסיבי פחמן כמטריקס הוא אחד האמצעים היעילים להפחתת המסה המבנית. חומרים מרוכבים פולימריים מתייחסים בדרך כלל לפלסטיק מחוזק בסיבי פחמן בעל מודול אלסטיות גבוה, המאופיין בקשיחות גבוהה (מודול אלסטיות 196 GPa) ויציבות ממדית בטמפרטורה גבוהה, תוך שמירה על חוזק דחיסה גבוה (1000 MPa). השימוש בפלסטיק מחוזק בסיבי פחמן בדור החדש של ציוד טכנולוגי לחלל יכול לשפר את הנוקשות האווירודינמית של רכיבי הזנב, במיוחד רכיבי קצה הזנב, להפחית את המסה המבנית ולהבטיח את איכות טכנולוגיית הטיסה הנדרשת. תכונות אלו של פלסטיק מחוזק בסיבי פחמן בעל מודול אלסטיות גבוה, בשילוב עם צפיפות נמוכה, מאפשרות ייצור מניפולטורים להרכבה ותחזוקה של תחנות חלל. בעיות שיש לפתור בשנים הקרובות כוללות: שיפור נוסף של תכונות מבניות ותכונות מיוחדות של פלסטיק מחוזק בסיבי פחמן, במיוחד כדי להעלות את טמפרטורת ההפעלה ל-400 ℃.
כחומר מבני, חומרים מרוכבים חדשים - פלסטיק אורגני - ימלאו תפקיד חשוב יותר ויותר. בשנים האחרונות, הדור השני של פלסטיק אורגני מפותח, ערך σb (חוזק מתיחה) של פלסטיק אורגני חד-תכליתי הגיע ל-2 ~ 3000MPa, וערך E עלה ל-3200GPa. מחקרים ניסיוניים מראים כי ניתן להשיג מודול אלסטיות של פלסטיק אורגני 130 ~ 200GPa, יש לציין כי זה למעשה מרחיב את טווח טמפרטורות העבודה פי 250 (1 ~ 205 ℃). כמו כן ניתן להפחית משמעותית את ספיגת המים של הקומפוזיט. מבחינת חוזק ספציפי ומודול אלסטיות, פלסטיק אורגני מודרני, ובמיוחד אלה של העתיד, יעלה על כל הקומפוזיטים הידועים של פולימרים, מתכת וקרמיקה.
כיום, נעשה שימוש גובר וגדל בחלקי מבנה מפלסטיק מחוזק בסיבי זכוכית ובחלקי מבנה מפלסטיק מחוזק בסיבי פחמן המיוצרים בתהליך prepreg. בתהליך זה ניתן לייצר חלקים בעלי עקמומיות רגילה ומורכבת בתהליך אחד. בהשוואה לחומרים מרוכבים פולימריים קונבנציונליים, חומרים מרוכבים מבוססי prepreg מאופיינים בעלייה של 40% עד 50% בעמידות בפני סדקים. חוזק הגזירה עולה ב-20% עד 50%? עלייה של 20% עד 35% בחוזק העייפות ובחוזק המתמשך? בעזרת חומר מרוכב זה ניתן להפחית את צריכת העבודה והאנרגיה ב-1/2; ניתן להפחית את המסה המבנית (במיוחד במקרה של מילוי חלת דבש) ב-50%, ולשפר את יכולת האיטום המבנית פי 5.
פיתוח סגסוגות מיוחדות עם הסגסוגת הטובה ביותר ושיטת הארגון הטובה ביותר יכול לשפר משמעותית את ביצועי להבי גביש יחיד, אחת הסגסוגות המבטיחות ביותר היא סגסוגת אבץ של סגסוגת ניקל בחוזק חם.
לסגסוגות המכילות ניקל יש טמפרטורות פעולה גבוהות יותר ותכונות חוזק סיבולת גבוהות יותר, וערכי חוזק סיבולת שיא של σ1000100> 300 MPa התקבלו עבור סגסוגות בדיקה המכילות 6% עד 7%, ובכך הבטיחו פיתוח להבים גבישיים יחידים עם תעלות קירור עבור מנועי דור שישי. באמצעות סגסוגת המכילה ניקל, ניתן להגדיל את טמפרטורת כניסת הטורבינה ל-6 ~ 2000K, להפחית את צריכת אוויר הקירור ב-2100% ~ 30%, ולהאריך את חיי השירות של הלהב פי 50 ~ 1 כאשר צריכת אוויר הקירור זהה.
הדרישות לחומרי דיסק מנוע טורבינת גז שונות במקצת מהדרישות לחומרי להב: ראשית, טמפרטורת העבודה של דיסק הטורבינה נמוכה מזו של הלהב; שנית, הדרישות לאמינות החומר מוגברות. את הדרישות הנ"ל לשיפור ביצועי סגסוגות דיסק הטורבינה יש לפתור באמצעות גישה מקיפה, כגון פיתוח עקרון הסגסוגת, שיפור מנגנון החיזוק ופיתוח שיטות טכנולוגיות חדשות להיתוך, דפורמציה וטיפול בחום.
הבעיה המיוחדת העומדת בפני תעשיית ייצור המנועים האוויריים כיום היא פיתוח, למשל, של מחסניות מרותכות? צינורות אש ומגוון רכיבים מבניים אחרים המרותכים בשדה חם. הבעיה העיקרית בפיתוח חומרים לצינורות אש היא שיפור הנוקשות המבנית שלהם, והפתרון לבעיה זו צריך גם לעמוד בסדרה של דרישות תהליך תובעניות ומקיפות: יכולת ריתוך טובה, גמישות תהליך גבוהה וכו'. השימוש בסגסוגות שהוזכרו לעיל יכול להגדיל את טמפרטורת העבודה של צינור האש ב-150 ~ 200 ℃, להאריך את האמינות ואת חיי השירות ב-50% ~ 100%, ולהגדיל באופן משמעותי את החוזק הסגולי של הקסטה המרותכת, תוך הפחתת המסה ב-15%.
השימוש בציפוי מגן נוגד חמצון הוא גורם חשוב בהארכת חיי השירות של סגסוגות מחזקות חום (ראשית, להבי טורבינה).
כיום, תהליכים וציפויים חדשים בעלי הרכבים מורכבים שונים הוצגו כטכנולוגיה חלופית לתהליך ייצור ציפויי הגנה על ידי דיפוזיה של אלומיניזציה באבקות מעורבות. חוקרים פיתחו שיטה חדשה לציפוי פלזמה בוואקום עם יונים אלמנטריים שונים כמטריצה. במקרה של עובי ציפוי זהה בערך (50 ~ 70 מיקרומטר), הסגסוגת המקורית המרוססת עם סגסוגת יכולה להגן ביעילות על הלהב מפני קורוזיה של סולפידים ותחמוצות, ויכולה להאריך את חיי הלהב בסדר גודל בהשוואה לציפויים מאלומיניזציה המיוצרים בייצור המוני.
בשיטה החדשה לציפוי חומרים רב-רכיביים בתהליך פלזמה בוואקום בעל אנרגיה גבוהה, פעולת זרימת הפלזמה במהירות גבוהה על פני השטח המוצקים מביאה לחיזוק ממוקד של ההרכב, הארגון, המיקרו-גיאומטריה והתכונות הפיזיקוכימיות של המשטח המטופל. היתרונות העיקריים של התהליך הם: איכות ציפוי גבוהה, צפוף ולא נקבובי, פלסטיות טובה, הידבקות חזקה (מעל 100M P a); גמישות טובה, ניתן ליישם את כל סוגי ציפויי ההגנה על מכשיר תעשייתי; דיוק גבוה בהפקדה.
עלות הציפוי, ציוד הציפוי והתהליך נמוכה. שימוש בחומרים רב-רכיביים בתהליך פלזמה בוואקום באנרגיה גבוהה למריחת ציפויים, מאפשר קבלת מגוון ציפויים, הן ציפויי דיפוזיה, ציפויים קוהזיים וציפויים קוהזיביים-דיפוזיים.
הדחיפות לשפר עוד יותר את טמפרטורת הפעולה ואת חיי החלק של מנועי טורבינות גז העלתה את הצורך בחיפוש אחר מטריצת סגסוגת חדשה בעלת יציבות טובה יותר מאשר תמיסה מוצקה מחוזקת בפאזה של מטריצת ניקל. מטריצת הסגסוגת החדשה מתאימה לשימוש בתרכובת אינטר-מתכתית מסוג Ni3Al, והקשר הקוולנטי של התרכובת הבין-מתכתית יכול לפתור את בעיית החוזק התרמי של הסגסוגת בצורה יעילה יותר מאשר קשר מתכתי רגיל של תמיסה מוצקה. ניתן להתאים את רמת החוזק התרמי של סגסוגות אלו בהתאם לסגסוגת המשלימה של מטריצת Ni3Al, ולארגון היציקה שנקבע על ידי תהליך היציקה. במקרה זה, החוזק התרמי של הסגסוגת עולה ככל שהמעבר מארגון שווה-ציר לארגון עמודי ולאחר מכן לארגון גבישי יחיד.
לסגסוגות אינטר-מתכתיות בעלות גביש יחיד יש ביצועים כוללים טובים יותר. באותה רמת חוזק תרמי (טמפרטורה של 1100 מעלות צלזיוס), כמות המתכות היקרות והנדירות של עמידות בפני שחיקה, כגון טונגסטן (W) ומוליבדן (M o), הכלולות בסגסוגת התרכובת הבין-מתכתית, נמוכה משמעותית.
סגסוגות מבוססות תרכובות אינטר-מתכתיות יכולות לשמש ביעילות לייצור כנפי הנחיה מקוררות ולא מקוררות, צינורות אש וחלקי נחיר בטווח טמפרטורות פעולה של 900 ~ 1150 מעלות צלזיוס. ההישגים המדעיים האחרונים של העיר יכולים להגדיל את החוזק התרמי של הסגסוגת ליותר מ-50 ~ 70 מגה פסקל.
פריצות דרך נוספות בתחום מחקר חומרי חוזק תרמי (טמפרטורת עבודה מוגברת ליותר מ-1300 מעלות צלזיוס) תלויות בהבטחת חומרים מרוכבים ממתכתיים. המטריצה של חומרים מרוכבים ממתכתיים יכולה להיות עשויה מחומרים שונים, כגון טיטניום, תרכובות בין-מתכתיות וכו', בעוד שחומרי החיזוק יכולים להיות עשויים מגבישים פילמנטיים, חלקיקי תרכובות עקשן מפוזרים כולל חלקיקי סיליקון קרביד, סיבי תחמוצת או סיבי טונגסטן.
חומרים מרוכבים מיוחדים הם מה שנקרא חומרים מרוכבים טבעיים, המיוצרים על פי תהליך התגבשות כיוונית של סגסוגות אוטקטיות. כל פאזה אוטקטית בסגסוגות כאלה גדלה בניצב לקו ההתגבשות, כך שניתן להשיג ארגון סיבי בעל אוריינטציה מסוימת על ידי הזזת קו ההתגבשות המישורי. חומר החיזוק של חומר זה הוא שלד רציף של גבישים סיביים של גבישים יחידים של קרביד מתכתי עקשן (TaC, NbC) המעורבבים יחד זה עם זה. חומר המרוכב הטבעי שפותח יכול לשמור על רמות חוזק גבוהות לאורך זמן (σ1200b > 70 MPa) בטמפרטורות גבוהות של 1200°C. ההערכה היא שחלקם של חומרים מרוכבים במנועי טורבינות גז מתקדמים יגדל משמעותית (עד 40%).
תפקידם של חומרים בסביבות שונות ובמדיה אטמוספרית מתבטא בקורוזיה והזדקנות. חומרים תעופה וחלל הנמצאים במגע עם המדיה הם דלק מטוסים (כגון בנזין וקרוסין), דלקי רקטות (כגון חומצה חנקתית מרוכזת, תחמוצת חנקן, הידרזין), ומגוון חומרי סיכה, נוזל הידראולי וכו', שרובם בעלי השפעה קורוזיבית חזקה או נפיחות של מתכת וחומרים לא מתכתיים, קרינת השמש באטמוספירה, שחיקה של רוח וגשם ולחות תת-קרקעית. אחסון ארוך טווח של עובש מאיץ את הזדקנות החומרים הפולימריים. תהליכים, עמידות בפני קורוזיה, ביצועים נגד הזדקנות וביצועים נגד עובש הם חומרים שתעופה וחלל צריכים להיות בעלי מאפיינים טובים.
תפקידה של סביבת החלל על חומרים מתבטא בעיקר בוואקום גבוה (1.33×10-10Pa) ובהשפעת קרינת הקוסמוס. חומרים מתכתיים הנמצאים במגע זה עם זה בוואקום גבוה, משום שהשטח מטוהר על ידי סביבת הוואקום הגבוה ומאיץ את תהליך הדיפוזיה המולקולרית, תופעת "ריתוך קר"; חומרים לא מתכתיים הנמצאים בוואקום גבוה ובקרינת הקוסמוס מאיצים את ההתנדפות וההזדקנות, לעיתים תופעה זו גורמת לפגיעה בעדשה האופטית עקב שקיעת נדיפות וזיהום, ואטימת המבנה עקב הזדקנות וכשל. חומרי חלל נבחרים ומפותחים בדרך כלל באמצעות בדיקות סימולציה קרקעיות על מנת להסתגל לסביבת החלל.
על מנת להפחית את המסה המבנית של הרכב, מטרת תכנון הרכב נחשבת לבחור את מרווח הבטיחות הקטן ביותר האפשרי ולהשיג אורך חיים בטיחותי אמין לחלוטין. עבור כלי רכב המשמשים פעם אחת בפרק זמן קצר, כגון טילים או כלי שיגור, אנשים שואפים למקסם את ביצועי החומר עד לקצה גבול היכולת. על מנת לנצל את חוזק החומר במלואו ולהבטיח בטיחות, נעשה שימוש ב"עקרון תכנון סבילות נזק" עבור חומרים מתכתיים, הדורש לא רק חוזק ספציפי גבוה אלא גם קשיחות שבר גבוהה. בתנאי שימוש מדומים, נמדדים אורך החיים של תחילת הסדק וקצב התפשטות הסדק של החומר, ואורך הסדק המותר ואורך החיים המתאים מחושבים כבסיס חשוב לתכנון, ייצור ושימוש. עבור חומרים אורגניים לא מתכתיים, נדרשות בדיקות הזדקנות טבעית והזדקנות מואצת מלאכותית כדי לקבוע את תקופת הביטוח של חייהם, דפוס השבירה של חומרים מרוכבים, אורך חיים ובטיחות הוא גם נושא מחקר חשוב.
התקדמות חומרי החלל תלויה בשלושת הגורמים הבאים, ורק לאחר שכל השלושה פותחו לשלב בוגר ניתן ליישם אותם בכלי רכב מעופפים. לכן, מדינות בכל רחבי העולם נתנו עדיפות לפיתוח חומרי החלל.
עם ההתפתחות המהירה של תעשיית החלל, גם חומרי המבנה של חלליות יהיו בפיתוח מתמשך לטווח ארוך. שיעור הסגסוגות הקלות החדשות המשמשות במבני חלליות עולה בהדרגה, והשימוש בחומרים מרוכבים תרם לשינוי החומרים המשמשים במבני חלליות ונמצא בפיתוח מהיר. חומרים מרוכבים של מטריצת מתכת, המשלבים את התכונות המצוינות של מתכות וחומרים אנאורגניים/אורגניים, נכנסו גם הם לחזון של חוקרי מבני חלל. בנוסף, חומרי מבנה הם חלק בלתי נפרד מתכנון מבני, וחלק מהמבנים המורכבים המסורתיים מוחלפים במבנים רב-תכליתיים (MFC) חדשים ומבנים מודפסים בתלת-ממד. בעתיד, חומרי המבנה לחלליות יציגו מגמה של גיוון וביצועים גבוהים.
סגסוגות קלות מסורתיות עדיין שולטות, וסגסוגות קלות חדשות יושמו בהדרגה על מנת להתאים את עצמן לדרישות הלוויינים המודרניים. חומרי סגסוגת בעלי ביצועים גבוהים ומבנה קל נוטים להיות מוחלפים בהדרגה בחומרים מרוכבים. במיוחד כאשר חומרי הסגסוגת בתחום הרכב והתעופה זכו להצלחה רבה, הם החלו לקפוץ גם בתחום התעופה והחלל עם דרישות גבוהות יותר לקלילות החומרים. עם זאת, עם העמקת המחקר, נמצא כי לחומרים מרוכבים מבוססי שרף הנפוצים יש כמה פגמים אינהרנטיים, כגון קשיחות ירודה, ביצועי עיבוד משני גרועים, עמידות ירודה בחום ולחות, ויכולת הסתגלות ירודה לסביבת החלל וכו'. קשה ליישם אותם על שטח גדול בחלליות בזמן קצר, מה שמספק מרחב והזדמנויות ליישום ופיתוח של חומרי סגסוגת בתחום התעופה והחלל.
תנופת הפיתוח של חומרים מרוכבים טובה, והיקף היישום שלהם ימשיך לגדול. זמן הפיתוח של חומרים מרוכבים קצר יחסית, אך מגמת הפיתוח המהירה שלהם מספיקה כדי לגרום לאנשים להאמין שיש להם סיכויי יישום גדולים. חומרים מרוכבים תמיד הקדימו את יישומי התעופה והאווירונאוטיקה. יישומם במטוסים פותח מחומרים מבניים משניים לחומרי מבנה עיקריים. כמות החומרים המרוכבים לחלקים מבניים של מטוסים גדולים בעולם, כמו בואינג 787 ואיירבוס 380, מהווה 40% עד 50%, וכמות החומרים המרוכבים לחלקים מבניים של מסוקים מתקדמים אף מהווה יותר מ-80%. נתוני מחקר פומביים של בואינג ואיירבוס מראים שעד 2020 כל חלקי המבנה של המטוסים שלהם ישתמשו בחומרים מרוכבים. באנלוגיה, לחומרים מרוכבים בתחום התעופה והחלל יהיה מרחב פיתוח וסיכויים עצומים. עדות לכך היא גם העובדה שמפרקי מסבך מסגסוגת אלומיניום שהיו בשימוש נרחב בעבר במסבכי לוויינים מוחלפים במפרקים מרוכבים מסיבי פחמן. איור 2 מציג מפרק מרוכב טיפוסי מסיבי פחמן. עד כה, חומרים מרוכבים בעלי ביצועים גבוהים מסיבי פחמן עדיין נמצאים במוקד המחקר והיישום של מרוכבים. על מנת לצמצם את הפער עם הרמה הבינלאומית המתקדמת, סין מקדישה כיום תשומת לב רבה למחקר מתקדם של חומרים מרוכבים. עם פיתוח טכנולוגיית ייצור משולבת בעלות נמוכה, הבשלות הגוברת של ציוד ייצור אוטומטי, בקנה מידה גדול ובעל דיוק גבוה, והשיפור המתמיד של ביצועי שרף המטריצה וסיבי פחמן, עמידותם ללחות וחום וההתארכות בשבירה של חומרים מרוכבים במטריצה מחוזקת בסיבי פחמן השתפרו משמעותית, וכמות החומרים המרוכבים במבני חלליות בוודאי תגדל עוד יותר.
אנא אל תהססו למלא את הטופס למטה וניצור עמכם קשר בהקדם.
Easiahome מספקת הפצה עולמית של כל סוגי הפלדות אל-חלד. עם מגוון רחב של מוצרים, אנו מציעים ייעוץ מקצועי לשוק ועיבוד מתכת מלא.
