نقش کامپوزیتها در مهندسی هوافضا
نقش کامپوزیتها در مهندسی هوافضا
بدون شک، گسترش سریع صنعت هوافضای مدرن منجر به بهبود مواد سازنده هواپیما شده است. کاهش هزینهها، سبک سازی و افزایش عمر عملیاتی قطعات در سازههای هواپیما از محرکهای اصلی این امر هستند. کامپوزیتها موادی هستند که با ترکیب دو یا چند ماده مجزا، معمولا با خواص متفاوت، باهدف تولید مادهای با ویژگیهای مفید ساخته میشوند. در این مبحث بر مزایا و کاربردهای مواد کامپوزیتی جدید مورد استفاده در صنعت هوافضا تمرکز داریم.
مزایای استفاده از کامپوزیتها در بخش هوافضا
کامپوزیتها به دلایل مختلفی در مهندسی هوافضا محبوبیت پیدا کردهاند. آنها به طور قابل توجهی سبکتر از دیگر مواد مانند فلزات که کاربرد فراوانی دارند هستند. کاهش وزن در مهندسی هوافضا بسیار مهم است زیرا عملکرد موتور را بهبود بخشیده و انتشار گازهای گلخانهای را نیز به حداقل میرساند. کامپوزیتهای سبک همچنین در کاهش هزینههای مالی و اثرات زیست محیطی بخش هوافضا سهم مفیدی دارند.
کامپوزیتها به دلیل قابلیت قالب گیری در طرحهای پیچیده، بسیار متنوع هستند. مهندسان میتوانند بدون محدود شدن به محدودیتهای مواد، قطعاتی را بسازند که متناسب با نیازهای یک هواپیمای خاص سفارشی سازی شدهاند. کامپوزیتها همچنین در برابر هوازدگی و خستگی بسیار مقاوم هستند و همین امر آنها را به یک ماده مناسب برای ساخت هواپیما تبدیل میکند. توانایی آنها در تحمل دماهای بسیار بالا، به ویژه در فضاپیماها، یک مزیت عمده محسوب میشود. بر همین اساس، از کامپوزیتها در ساخت سازههای اصلی تحمل بار هواپیما و فضاپیما مانند بالها، بدنه، ارابه فرود، محفظه موتور استفاده میشود.
کامپوزیتهای الیاف کربن تقویت شده برای کاربردهای هوافضا
در چند سال گذشته، کامپوزیتهای پلیمری تقویت شده با الیاف کربن (CFRP) به دلیل اندازه مناسب، دوام عالی و خواص مقاوم در برابر خوردگی به یک ماده ضروری در ساخت تجهیزات هوافضا و انرژی بادی تبدیل شدهاند. کامپوزیتهای ماتریس کربن تقویت شده با الیاف کربن، که به عنوان کامپوزیتهای کربن/کربن (C/C)، نیز شناخته میشوند، به دلیل چگالی کم جزء مهمی از کامپوزیتهای سبک وزن هستند.
بیش از پنجاه درصد از بدنه دو هواپیمای دوربرد بسیار محبوب، ایرباس و بوئینگ 787، از CFRP تشکیل شدهاند. A 350 اولین هواپیمای دارای جعبه بال هسته کامپوزیتی CFRP بود و در مقایسه با پیشرفته ترین آلیاژهای آلومینیوم، تا 1.5 تن در وزن هواپیما صرفه جویی کرد. در آخرین مقاله منتشر شده در Composites Patr B، نویسندگان کامپوزیتهای فیبر کربن فشرده تقویت شده با نانوسیمهای کاربید هافنیوم (HfCNWs) را گزارش کردند. افزودن HfCNW به کامپوزیتهای C/C منجر به توسعه یک کامپوزیت سبک HfCNW-C/C شد. استحکام کششی دو نوع کامپوزیت پس از عملیات حرارتی در دماهای 1800، 2100 و 2450 درجه سانتیگراد ارزیابی شد.
نرخ حفظ استحکام مکانیکی (MSR) نانوسیمهای HfCNW-C/C بیشتر از C/C مشاهده شد. نرخ فرسایش جرمی کامپوزیتهای C/C حاوی نانوسیمهای HfCNW نیز کاهش یافت. این به این دلیل است که تجزیه نانوسیمهای HfCNW به افزایش وزن در طول فرسایش کمک میکند.
بنابراین، نشان داده شده است که این یک کامپوزیت سبک وزن بسیار مقاوم در برابر دماهای بالا با راندمان دمایی بالا است که پتانسیل زیادی نیز برای استفاده به عنوان یک قطعه سازهای حرارتی در بخش هوافضا دارد.
کامپوزیتهای منیزیم و سرامیک در صنعت هوافضا
کامپوزیتهای منیزیم در کاربردهای متنوعی ازجمله سیستمهای موتور در تجهیزات هوافضا، ترمز و محورهای حرکتی مورد استفاده قرار میگیرند. در هواپیمای F 16، ورودیهای آلومینیومی با کامپوزیتهای منیزیم تقویت شده با ذرات SiC جایگزین شدهاند و در نتیجه، عمر خستگی را افزایش میدهند. به طور خاص برای پرههای توربین گازی، استفاده از موادی که بتوانند در برابر دماهای بالا مقاومت کنند، ضروری است. پرههای توربین کامپوزیتی بسیار سبک به خوبی میتوانند استحکام خود را در دمای اگزوز توربین تقریبا 1050 درجه سانتیگراد حفظ کنند.
در صنعت هوافضا، فناوری ترمز در حال حاضر یک حوزه تحقیقاتی حیاتی است. در هواپیماها، مکانیزم ترمز با جریان سیال هیدرولیک ازطریق دیسک (روتور و استاتور) تنظیم میشود و اصطکاکی ایجاد میکند که گرمای خارجی حجم قطعه را با کامپوزیتهای سرامیکی بین ۳۰۰۰ تا ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد افزایش میدهد. با استفاده از این ماده در سیستم ترمز هواپیماهای نظامی، میتوان وزن آنها را کاهش داد. بوئینگ در حال توسعه نازلهای تخلیه کامپوزیتی نکستل ۶۱۰/آلومینو-سیلیکات و سازههای آکوستیک برای هواپیماهای تجاری است. شرکت GE Aviation سرمایه گذاری قابل توجهی در مواد کامپوزیت سرامیکی انجام داده است و آب بندی تخلیه واگرای موتور F 414 ابتدا از مواد کامپوزیتی سرامیکی Ox/Ox ساخته شده بود.
کامپوزیتهای خود ترمیم شونده در صنعت هوافضا
طبق آخرین مقاله منتشر شده در مجله Polymers، کامپوزیتهای خود ترمیم شونده در بخش هوافضا به محبوبیت بالایی دست یافتهاند. تخریب مواد کامپوزیتی در اثر بارهای ضربهای ایجاد میشود. آسیب ضربهای از حفرههای بسیار کوچک شروع شده و به ترک خوردگی میکروسکوپی شدید و تجزیه سازه منجر میشود. به دلیل تحرک سلولی افزایش یافته، پلیمرها و کامپوزیتهای آنها به عنوان مواد خود ترمیم شونده در همه جا یافت میشوند. به همین دلیل، از الکتروریسی همزمان برای ایجاد یک کامپوزیت پلی کربنات چند مقیاسی هیبریدی با نانوفیبرهای هسته-پوسته خود ترمیم شونده استفاده شده است. در کامپوزیتهای چندلایه، هنگامی که آسیب سطحی، مانند لایه لایه شدن، رخ میدهد، پوسته هسته به گونهای طراحی شده است که بتواند خود را ترمیم کند. میکروکپسولهای حاوی عوامل ترمیمی به کامپوزیتهای پلاستیکی تقویت شده با فیبر کربن برای استفاده در هوافضا اضافه شدهاند تا از شکستگی و لایه لایه شدن آنها جلوگیری شود.
کامپوزیتهای خود ترمیمشونده معمولاً به عنوان لایههای محافظ یا موانع در سازههای هوایی مانند بدنه، بال، موتورهای احتراقی، آبشارها و موارد دیگر استفاده میشوند. اجزای کریستالی سیلیکون و بور در ماتریس کربن نیز به عنوان مواد خود ترمیمشونده استفاده میشوند.
کاربردهای نانوکامپوزیتها در صنعت هوافضا
مقالهای با تمرکز بر کاربرد نانوکامپوزیتها در صنعت هوافضا در Nanotechnology Reviews منتشر شده است که به استفاده از نانوکامپوزیتی متشکل از نانوسیلیکا و لاستیک اتیلن پروپیلن دیان مونومر (EPDM) به عنوان یک ماده مقاوم حرارتی برای محافظت از اجزای ساختاری یک فضاپیما در طول پرتاب اشاره میکند. تحقیقاتی درمورد جایگزینی کامپوزیتهای مبتنی بر پلیمر معمولی در یک موتور موشک جامد (SRM) با نانوکامپوزیتها نیز انجام شده است. برای بهبود عایق حرارتی، نانوکامپوزیتهای الاستومر ترموپلاستیک پلی یورتان (TPUNs) برای جایگزینی EPDM تقویت شده با کولار معمولی در SRMها به کار گرفته شدهاند.
علاوه براین، ساخت حسگرهای کشسان مبتنی بر نانوکامپوزیت باهدف ارزیابی سلامت سازهای هواپیماهای تغییر شکل دهنده در شناسایی شکستگیها در سیستمهای تغییر شکل دهنده هوافضا، یک کاربرد مهم دیگر است. با استفاده از نانوکامپوزیت PP تقویت شده با CNT، یک طرح بال زن برای یک وسیله نقلیه هوایی مینیاتوری که از طبیعت الهام گرفته بود، ساخته شده است. تجزیه و تحلیل تجربی نشان داد که فرکانس اصلی بال مصنوعی ساخته شده کاملا شبیه فرکانس رزونانس بال سنجاقک است.
طبق تحقیقات منتشر شده در مجله Polymers، نانوکامپوزیتهای پلیمری مغناطیسی نیز راه خود را به بخش هوافضا پیدا کردهاند. به عنوان مواد محافظ تداخل الکترومغناطیسی (EMI)، از کامپوزیتهای ماتریس پلیمری که با نانوذرات فلزی مغناطیسی شده پوشش داده شدهاند، استفاده میشود. در همین راستا، پوششها و رنگدانههایی بر پایه نانوکامپوزیتهای ماتریس پلیمری که با یک ماده معدنی تکمیل شدهاند، نیز توسعه یافتهاند. این روش مزایای متعددی دارد ازجمله هزینههای اقتصادی، سهولت در تولید و تولید مواد مقاوم و سبک. پایش سلامت سازه (SHM) یک روش ضروری برای تعیین سلامت سازهای قطعات هوافضا به شمار میرود. مواد پیزوالکتریک کامپوزیتی معدنی/آلی نیز به عنوان عناصر مناسب برای گیجهای حسگر هوافضا مورد استفاده قرار میگیرند.
بررسی اجمالی بازار کامپوزیتهای هوافضا
طبق گزارش منتشر شده در Markets and markets، رشد بازار جهانی کامپوزیتهای هوافضا در سال ۲۰۲۲، ۲۹.۷ میلیارد دلار تخمین زده شده است و پیش بینی میشود تا سال ۲۰۲۷ به ۵۱.۶ میلیارد دلار برسد و با نرخ رشد مرکب سالانه ۱۱.۷ درصد از سال ۲۰۲۲ تا ۲۰۲۷ گسترش یابد. این بازار در حال گسترش است زیرا کامپوزیتهای هوافضا دارای ویژگیهای عملکردی استثنایی هستند و میتوانند در شرایط سخت مقاومت کنند. علاوه براین، پیش بینی میشود افزایش تقاضای جهانی برای هواپیماهای کم مصرف نیز به زودی باعث گسترش این بازار شود. به طور خلاصه، کامپوزیتها ستون فقرات بخش سازههای هوافضا هستند و محققان در سراسر جهان به راحتی کامپوزیتهای جدیدی را برای تضمین استحکام و عملکرد برتر میسازند.