سرامیکها به دلیل قابلیت تحمل دمای بالا، سختی و استحکام و مقاومت بالا در برابر اکسیداسیون و خوردگی، مواد مهمی برای کاربردهای هوافضا هستند. مواد سرامیکی در مقایسه با مواد فلزی، چگالی پایینتر و در نتیجه استحکام بالاتری دارند. تلاش برای بهبود عملکرد وسایل مربوط به صنعت هوافضا، نیروی محرکهای را برای توسعه سرامیکهای دما بالا با ترکیب جذاب از انواع خواص مکانیکی، ترمومکانیکی، مقاومت به اکسیداسیون و چگالی کم فراهم کرده است. این امر تحقیقات هوافضا را در طیف وسیعی از سرامیکهای پیشرفته در دهههای اخیر برانگیخته است.
در ادامه، انواعی از سرامیکهای دیرگداز پرکاربرد در صنعت هوافضا معرفی شدهاند.
پوششهای سپر حرارتی (Thermal Barrier Coatings – TBC)
پوششهای سپر حرارتی مواد پیشرفتهای هستند که روی سطوح در معرض دمای بالا اعمال میشوند. این پوششها برای عایقسازی و حفاظت از لایه زیرین در برابر گرمای شدید طراحی شدهاند. پوششهای سپر حرارتی معمولاً از یک لایه سرامیکی مانند زیرکونیا تشکیل شدهاند که رسانایی حرارتی پایینی دارد و بهعنوان مانع انتقال حرارت عمل میکند.
این پوششها در کاربردهای هوافضا نظیر پرههای توربین، اجزای موتور، توربینهای گازی صنعتی و موتورهای خودرو استفاده میشوند و نقش مهمی در افزایش راندمان و طول عمر قطعات دارند.
مواد و روشهای اعمال پوشش سپر حرارتی
سپرهای حرارتی زیرکونیای پایدارشده با ایتریا معمولاً روی زیرلایههای آلیاژی نیکل-کبالت با روشهایی مانند پاشش پلاسما یا رسوب فیزیکی بخار پرتو الکترونی (EB-PVD) اعمال میشوند. روشهای دیگری نظیر پاشش پلاسما سوسپانسیون و رسوب فیزیکی نیز مورد استفاده قرار میگیرند.
ضخامت پوشش سپر حرارتی برای اجزای چرخان موتور توربین معمولاً در بازه ۱۰۰ تا ۲۵۰ میکرون و برای محفظه احتراق و اجزای غیرچرخان در بازه ۲۵۰ تا ۵۰۰ میکرون است.
زیرکونیا به دلیل نقطه ذوب بالا (حدود ۲۷۰۰ درجه سلسیوس)، رسانایی حرارتی پایین و ضریب انبساط حرارتی بالا، مادهای ایدهآل برای حفاظت از سوپرآلیاژهای پایه نیکل در دماهای بالا محسوب میشود. افزودن اکسیدهایی مانند ایتریا باعث پایدارسازی فازهای دما بالای تتراگونال و جلوگیری از تبدیل به فاز مونوکلینیک میشود.
سیستم حفاظت حرارتی (Thermal Protection System – TPS)
سیستم حفاظت حرارتی مجموعهای از راهکارها برای محافظت و عایقکاری وسایل نقلیه هوافضا در برابر تنشهای آئروترمال است. نمونه شاخص این سیستمها، کاشیهای سرامیکی مورد استفاده در مدارگرد شاتل فضایی هستند.
این کاشیها دارای چگالی بسیار پایین هستند که موجب کاهش وزن کلی سیستم میشود، اما مقاومت پایین آنها در برابر ضربه و اکسیداسیون باعث نیاز به نگهداری و تعمیرات گسترده شده است.
نازلهای راکت
برای ساخت نازلهای راکت از مواد مختلفی نظیر دیرگدازهای فلزی، گرافیت، سرامیکها و کامپوزیتها استفاده میشود. انتخاب نوع ماده به شرایط محیطی و نوع پیشران بستگی دارد.
نازلهای گرافیتی معمولاً در راکتهایی با حداقل میزان اکسیدکننده استفاده میشوند، اما به دلیل سایش بالا، پس از هر مأموریت نیاز به تعویض دارند. در مقابل، نازلهای ساختهشده از فلزات نسوز به دلیل مقاومت بالا در برابر سایش و شوک حرارتی گزینههای مناسبتری هستند.
سرامیکهایی مانند زیرکونیوم، دیبورید هافنیوم و انواع کاربیدها به دلیل نقطه ذوب بالا، استحکام مکانیکی مناسب و مقاومت عالی در برابر اکسیداسیون، در سالهای اخیر کاربرد گستردهای در نازلهای راکت پیدا کردهاند.
