Неодамна вечерав со еден стар соученик кој работи во институт за истражување на воздухопловни материјали. Разговаравме за нивните најнови проекти, а тој мистериозно ми рече: „Дали знаеш кој нов материјал нè интересира најмногу во моментов? Можеби нема да веруваш - тоа е тој прав што изгледа како фин зелен песок.“ Гледајќи го мојот збунет израз, се насмевна и додаде: „Зелен микро-прав од силициум карбид, дали сте слушнале за тоа? Ова можеби ќе предизвика мала револуција во воздухопловната област.“ Да бидам искрен, на почетокот бев скептичен: како може тој абразивен материјал што најчесто се користи во брусилките и дисковите за сечење да биде поврзан со софистицираната воздухопловна индустрија? Но, како што тој објасни понатаму, сфатив дека има многу повеќе отколку што мислев. Денес, ајде да разговараме за оваа тема.
I. Запознавање со овој „ветувачки материјал“
Зелениот силициум карбид е во суштина еден вид силициум карбид (SiC). Во споредба со обичниот црн силициум карбид, тој има поголема чистота и помалку нечистотии, па оттука и неговата единствена светло зелена боја. Што се однесува до причината зошто е „микро-прав“, се однесува на неговата многу мала големина на честичките, обично помеѓу неколку микрометри и десетици микрометри - околу една десетина до половина од дијаметарот на човечка коса. „Не дозволувајте неговата сегашна употреба во абразивната индустрија да ве залаже“, рече мојот соученик, „всушност има одлични својства: висока тврдост, отпорност на високи температури, хемиска стабилност и низок коефициент на термичка експанзија. Овие карактеристики се практично прилагодени за воздухопловната област.“
Подоцна, направив некои истражувања и открив дека ова е навистина точно. Зелениот силициум карбид е втор по тврдост веднаш по дијамантот и кубниот бор нитрид; во воздух може да издржи високи температури од околу 1600°C без да оксидира; а неговиот коефициент на термичка експанзија е само една четвртина до една третина од оној на обичните метали. Овие бројки може да изгледаат малку суви, но во воздухопловната област, каде што барањата за перформанси на материјалите се исклучително строги, секој параметар може да донесе огромна вредност.
II. Намалување на телесната тежина: Вечната потрага по вселенски летала
„За воздухопловството, намалувањето на тежината е секогаш клучно“, еденвоздухопловствоинженер ми рече. „Секој заштеден килограм тежина може да заштеди значително количество гориво или да го зголеми носивоста.“ Традиционалните метални материјали веќе ги достигнаа своите граници во однос на намалувањето на тежината, па затоа вниманието на сите природно се сврте кон керамичките материјали. Зелените композити со керамички матрици зајакнати со силициум карбид се едни од најперспективните кандидати. Овие материјали обично имаат густина од само 3,0-3,2 грама на кубен сантиметар, што е значително полесно од челикот (7,8 грама на кубен сантиметар) и исто така нуди јасна предност во однос на легурите на титаниум (4,5 грама на кубен сантиметар). Клучно е што одржува доволна цврстина, а воедно ја намалува тежината.
„Истражуваме употреба на зелени силициум карбидни композити за куќишта на мотори“, откри еден дизајнер на воздухопловни мотори. „Доколку користевме традиционални материјали, оваа компонента би тежела 200 килограми, но со новиот композитен материјал, може да се намали на околу 130 килограми. За целиот мотор, ова намалување од 70 килограми е значајно.“ Уште подобро, ефектот на намалување на тежината е каскаден. Полесните структурни компоненти овозможуваат соодветно намалување на тежината во потпорните структури, како домино ефект. Студиите покажаа дека кај вселенските летала, намалување од 1 килограм на тежината на структурните компоненти на крајот може да доведе до намалување од 5-10 килограми на тежината на ниво на систем.
III. Отпорност на високи температури: „Стабилизаторот“ во моторите
Работните температури на аеромоторите постојано се зголемуваат; напредните турбовентилатори сега имаат температури на влезот на турбината што надминуваат 1700°C. На оваа температура, дури и многу легури на висока температура почнуваат да откажуваат. „Компонентите на моторот со жежок дел во моментов ги поместуваат границите на перформансите на материјалите“, рече мојот соученик од истражувачкиот институт. „Итно ни се потребни материјали што можат стабилно да работат на уште повисоки температури.“ Зелените силициум карбидни композити можат да играат клучна улога во оваа област. Чистиот силициум карбид може да издржи температури над 2500°C во инертна средина, иако во воздух, оксидацијата ја ограничува неговата употреба на околу 1600°C. Сепак, ова е сè уште 300-400°C повисоко од повеќето легури на висока температура.
Поважно е што одржува висока цврстина на високи температури. „Металните материјали „омекнуваат“ на високи температури, покажувајќи значително ползење“, објасни инженер за тестирање на материјали. „Но, силициум карбидните композити можат да одржат повеќе од 70% од нивната цврстина на собна температура на 1200°C, што е многу тешко за металните материјали да се постигне.“ Во моментов, некои истражувачки институции се обидуваат да користатзелен силициум карбидкомпозити за производство на неротирачки компоненти како што се водилки на млазниците и облоги на комори за согорување. Доколку овие апликации се успешно имплементирани, се очекува потисокот и ефикасноста на моторите дополнително да се подобрат. IV. Термичко управување: Натерување на топлината да „послуша“
Воздухопловните возила се соочуваат со екстремни термички средини во вселената: страната свртена кон сонцето може да надмине 100°C, додека засенчената страна може да падне под -100°C. Оваа огромна температурна разлика претставува сериозен предизвик за материјалите и опремата. Зелениот силициум карбид има многу пожелна карактеристика - одлична топлинска спроводливост. Неговата топлинска спроводливост е 1,5-3 пати поголема од онаа на обичните метали и повеќе од 10 пати поголема од онаа на обичните керамички материјали. Ова значи дека може брзо да ја пренесе топлината од топлите во ладните области, намалувајќи го локализираното прегревање. „Размислуваме за користење на зелени силициум карбидни композити во системите за термичка контрола на сателитите“, рече еден воздухопловен дизајнер, „на пример, како обвивка на топлински цевки или како топлински спроводливи подлоги, за да ја направиме температурата на целиот систем поуниформна“.
Покрај тоа, неговиот коефициент на термичка експанзија е многу мал, само околу 4×10⁻⁶/℃, што е околу една петтина од оној на алуминиумската легура. Неговата големина останува речиси непроменета со промените на температурата, карактеристика што е особено вредна во воздухопловните оптички системи и антенските системи што бараат прецизно усогласување. „Замислете“, даде дизајнерот пример, „голема антена што работи во орбитата, со температурна разлика од стотици степени Целзиусови помеѓу страната свртена кон сонцето и засенчената страна. Ако се користат традиционални материјали, термичката експанзија и контракција може да предизвикаат структурна деформација, што влијае на точноста на насочувањето. Ако се користат зелени композитни материјали од силициум карбид со ниска експанзија, овој проблем може значително да се ублажи.“
V. Скришум и заштита: Повеќе од само „издржливост“
Современите воздухопловни возила имаат сè поголеми барања за перформанси на прикривање. Прикривањето на радарот главно се постигнува преку дизајн на облик и материјали што апсорбираат радар, а зелениот силициум карбид исто така има контролиран потенцијал во оваа област. „Чистиот силициум карбид е полупроводник, а неговите електрични својства може да се прилагодат преку допирање“, воведе експерт за функционални материјали. „Можеме да дизајнираме композитни материјали од силициум карбид со специфична отпорност за апсорбирање на радарски бранови во одреден фреквентен опсег.“ Иако овој аспект е сè уште во фаза на истражување, некои лаборатории веќе произведоа примероци од композитен материјал базирани на силициум карбид со добри перформанси на апсорпција на радар во X-опсегот (8-12 GHz).
Во однос на заштитата на просторот, предноста на тврдоста назелен силициум карбиде исто така очигледно. Во вселената има голем број микрометеороиди и вселенски отпад. Иако масата на секој од нив е многу мала, нивната брзина е екстремно голема (до десетици километри во секунда), што резултира со многу висока енергија на удар. „Нашите експерименти покажуваат дека зелените силициум карбидни композитни материјали имаат 3-5 пати поголема отпорност на удар на честички со голема брзина во споредба со алуминиумските легури со иста дебелина“, рече истражувач за заштита на вселената. „Доколку се користи во заштитните слоеви на вселенските станици или сонди во длабоката вселена во иднина, тоа би можело значително да ја подобри безбедноста.“
Историјата на развојот на воздухопловството е, во извесна смисла, историја на материјалниот напредок. Од дрво и платно до алуминиумски легури, а потоа до титаниумски легури и композитни материјали, секоја материјална иновација доведе до скок во перформансите на авионите. Можеби зелениот силициум карбиден прав и неговите композитни материјали ќе бидат една од важните движечки сили за следниот скок напред. Научниците за материјали кои вредно истражуваат во лаборатории и се стремат кон совршенство во фабриките можеби тивко ја менуваат иднината на небото. А зелениот силициум карбид, овој навидум обичен материјал, може да биде „магичниот прав“ во нивните раце, помагајќи му на човештвото да лета повисоко, подалеку и побезбедно.