לעצטנס, האָב איך געגעסן מיט אַן אַלטן קלאַסמאַן וואָס אַרבעט אין אַן אינסטיטוט פֿאַר פֿאָרשונג פֿון לופֿטפֿאַראיינען מאַטעריאַלן. מיר האָבן גערעדט וועגן זייערע לעצטע פּראָיעקטן, און ער האָט מיר מיסטעריעז געזאָגט, "ווייסט איר אין וועלכן נײַעם מאַטעריאַל זענען מיר איצט מערסט אינטערעסירט? איר זאָלט אפשר נישט גלויבן – דאָס איז יענער פּודער וואָס זעט אויס ווי פֿײַנער גרינער זאַמד." זעענדיק מײַן פֿאַרוואונדערטן אויסדרוק, האָט ער געשמייכלט און צוגעגעבן, "גרין סיליקאָן קאַרבייד מיקראָ-פּודער, האסטו שוין געהערט דערפון? די זאך קען זיין אז דאס וועט באלד ברענגען א קליינע רעוואלוציע אין דעם פעלד פון לופטפארט." צו זיין ערלעך, בין איך געווען סקעפטיש אין אנהייב: ווי אזוי קען יענער אבסארבירנדיקער מאטעריאל וואס מען ניצט געווענליך אין שלייפן רעדער און שנייד-דיסקעס זיין פארבונדן מיט דער סאפיסטיקירטער לופטפארט אינדוסטריע? אבער ווי ער האט ווייטער דערקלערט, האב איך איינגעזען אז עס איז דא פיל מער דערצו ווי איך האב געמיינט. היינט, לאמיר רעדן וועגן דעם טעמע.
I. באַקענען זיך מיט דעם "פֿאַרשפּרעכנדיקן מאַטעריאַל"
גרינע סיליקאן קאַרבייד איז אין עיקר אַ טיפּ סיליקאן קאַרבייד (SiC). קאַמפּערד צו געוויינטלעכן שוואַרצן סיליקאן קאַרבייד, האט עס אַ העכערע ריינקייט און ווייניקער אומריינקייטן, דעריבער זיין אייגנאַרטיקער ליכט גרינער קאָליר. וואָס שייך פאַרוואָס עס איז "מיקראָ-פּודער," באַציט זיך עס צו זיין זייער קליינע פּאַרטיקל גרייס, געוויינטלעך צווישן אַ פּאָר מיקראָמעטערס און צענדליקער מיקראָמעטערס - וועגן אַ צענטל ביז האַלב דעם דיאַמעטער פון אַ מענטשלעכן האָר. "לאָזט נישט זיין איצטיקע נוצן אין דער אַברייסיוו אינדוסטריע אייך נאַרן," האָט מיין קלאַסמייט געזאָגט, "עס האט טאַקע אויסגעצייכנטע אייגנשאַפטן: הויך כאַרדנאַס, הויך טעמפּעראַטור קעגנשטעל, כעמישע פעסטקייט, און אַ נידעריק קאָעפיציענט פון טערמישער יקספּאַנשאַן. די כאַראַקטעריסטיקס זענען פּראַקטיש צוגעפּאַסט פֿאַר די לופטפאָרט פעלד."
שפּעטער, האָב איך געפאָרשט און געפֿונען אַז דאָס איז טאַקע אמת. די כאַרטקייט פֿון גרינעם סיליקאָן קאַרבייד איז צווייט נאָר צו דיאַמאָנט און קוביק באָר ניטריד; אין לופֿט קען עס אויסהאַלטן הויכע טעמפּעראַטורן פֿון אַרום 1600°C אָן אָקסידירן; און זײַן קאָעפֿיציענט פֿון טערמישער אויסברייטונג איז בלויז אַ פֿערטל ביז אַ דריטל פֿון דעם פֿון געוויינטלעכע מעטאַלן. די נומערן קענען אויסזען אַ ביסל טרוקן, אָבער אין דער לופֿטפֿעלד, וווּ די מאַטעריאַל־פֿאָרשטעלונג־פֿאָדערונגען זענען גאָר שטרענג, קען יעדער פּאַראַמעטער ברענגען אַ ריזיקן ווערט.
II. וואָג רעדוקציע: די אייביקע יאָג נאָך ראַקעטן
"פֿאַר אַעראָספּייס, איז וואָג רעדוקציע שטענדיק דער שליסל," אַלופטפארטאינזשעניר האט מיר געזאגט. "יעדער קילאגראם פון וואָג וואָס מען שפּאָרט קען שפּאָרן אַ באַדייטנדיקע סומע ברענשטאָף אָדער פאַרגרעסערן די פּיילאָוד." טראַדיציאָנעלע מעטאַל מאַטעריאַלן האָבן שוין דערגרייכט זייערע גרענעצן אין טערמינען פון וואָג רעדוקציע, אַזוי אַלעמענס ופמערקזאַמקייט האט זיך נאַטירלעך געווענדט צו קעראַמישע מאַטעריאַלן. גרין סיליקאָן קאַרבייד ריינפאָרסט קעראַמיש מאַטריץ קאַמפּאַזאַץ זענען איינער פון די מערסט פּראַמאַסינג קאַנדידאַטן. די מאַטעריאַלן האָבן טיפּיקלי אַ געדיכטקייט פון בלויז 3.0-3.2 גראַם פּער קוביק סענטימעטער, וואָס איז באַדייטנדיק לייטער ווי שטאָל (7.8 גראַם פּער קוביק סענטימעטער) און אויך אָפפערס אַ קלאָר מייַלע איבער טיטאַניום אַלויז (4.5 גראַם פּער קוביק סענטימעטער). קריטיש, עס האַלט גענוג שטאַרקייט בשעת עס רעדוצירט וואָג.
"מיר פאָרשן די נוצן פון גרינע סיליקאָן קאַרבייד קאָמפּאָזיטן פֿאַר מאָטאָר קעיסינגז," האָט אַנטפּלעקט אַן אַעראָספּייס מאָטאָר דיזיינער. "אויב מיר וואָלטן גענוצט טראַדיציאָנעלע מאַטעריאַלן, וואָלט דאָס קאָמפּאָנענט געוואויגן 200 קילאָגראַם, אָבער מיטן נייעם קאָמפּאָזיט מאַטעריאַל, קען מען עס רעדוצירן צו אַרום 130 קילאָגראַם. פֿאַר דעם גאַנצן מאָטאָר, איז די 70-קילאָגראַם רעדוקציע באַדייטנדיק." נאָך בעסער, דער וואָג רעדוקציע ווירקונג איז קאַסקיידינג. לייטערע סטרוקטורעלע קאָמפּאָנענטן דערמעגלעכן קאָרעספּאָנדירנדיקע וואָג רעדוקציעס אין שטיצנדיקע סטרוקטורן, ווי אַ דאָמינאָ ווירקונג. שטודיעס האָבן געוויזן אַז אין ספּייסשיפּס, קען אַ 1-קילאָגראַם רעדוקציע אין סטרוקטורעלע קאָמפּאָנענט וואָג לעסאָף פירן צו אַ 5-10 קילאָגראַם רעדוקציע אין סיסטעם-לעוועל וואָג.
III. הויך טעמפּעראַטור קעגנשטעל: דער "סטאַביליזאַטאָר" אין מאָטאָרן
די אפעראציע טעמפעראטורן פון ערא מאטארן וואקסן כסדר; פארגעשריטענע טורבאפען מאטארן האבן יעצט טורבין אריינגאנג טעמפעראטורן וואס איבערשטייגן 1700°C. ביי דעם טעמפעראטור, הייבן אפילו אסאך הויך-טעמפּעראַטור צומישן אן צו דורכפאלן. "די הייסע סעקציע קאמפאנענטן פון דעם מאטאר שטופן יעצט די גרענעצן פון מאטעריאל פערפארמענס," האט געזאגט מיין קלאסמאן פון דעם פארשונג אינסטיטוט. "מיר דארפן דרינגענד מאטעריאלן וואס קענען אפערירן סטאביל ביי נאך העכערע טעמפעראטורן." גרינע סיליקאן קארבייד קאמפאזיטן קענען שפילן א קריטישע ראלע אין דעם געביט. ריין סיליקאן קארבייד קען אויסהאלטן טעמפעראטורן העכער 2500°C אין אן אינערטער סביבה, כאטש אין לופט באגרענעצט די אקסידאציע זיין באנוץ צו ארום 1600°C. אבער, דאס איז נאך אלץ 300-400°C העכער ווי רוב הויך-טעמפּעראַטור צומישן.
נאך וויכטיגער, עס האלט אן הויכע שטארקייט ביי הויכע טעמפעראטורן. "מעטאל מאטעריאלן 'ווייכערן' ביי הויכע טעמפעראטורן, ווייזנדיג א באדייטנדיקע קריך," האט דערקלערט א מאטעריאל טעסט אינזשעניר. "אבער סיליקאן קארבייד קאמפאזיטן קענען האלטן מער ווי 70% פון זייער צימער-טעמפּעראַטור שטארקייט ביי 1200°C, וואס איז זייער שווער פאר מעטאל מאטעריאלן צו דערגרייכן." איצט, פרובירן עטליכע פארשונג אינסטיטוציעס צו נוצןגרין סיליקאָן קאַרביידקאָמפּאָזיטן צו פאַבריצירן נישט-ראָטירנדיקע קאָמפּאָנענטן ווי נאָזל גייד וועינס און ברענעניש קאַמער ליינערס. אויב די אַפּליקאַציעס ווערן געראָטן ימפּלאַמענטירט, ווערט ערוואַרטעט אַז דער שטופּ און עפעקטיווקייט פון מאָטאָרן וועלן ווייטער פֿאַרבעסערן. IV. טערמישע פאַרוואַלטונג: מאַכן היץ "פאָלגן"
לופטפארט וועהיקלעס שטייען פאר עקסטרעמע טערמישע סביבות אין ספעיס: די זון-פארגעשטעלטע זייט קען איבערשטייגן 100°C, בשעת די שאטענע זייט קען פאלן צו אונטער -100°C. די ריזיגע טעמפעראטור אונטערשייד שטעלט א שווערע אויספארדערונג פאר מאטעריאלן און עקוויפמענט. גרינע סיליקאן קארבייד האט א זייער געווינשטע אייגנשאפט - אויסגעצייכנטע טערמישע קאנדוקטיוויטעט. איר טערמישע קאנדוקטיוויטעט איז 1.5-3 מאל אזויפיל ווי געווענליכע מעטאלן און מער ווי 10 מאל אזויפיל ווי געווענליכע קעראמישע מאטעריאלן. דאס מיינט אז עס קען שנעל איבערפירן היץ פון הייסע געביטן צו קאלטע געביטן, און רעדוצירן לאקאליזירטע איבערהיצונג. "מיר באטראכטן צו ניצן גרינע סיליקאן קארבייד קאמפאזיטן אין די טערמישע קאנטראל סיסטעמען פון סאטעליטן," האט געזאגט אן לופטפארט דיזיינער, "למשל, אלס די קעיסינג פון היץ רערן אדער אלס טערמישע קאנדוקטיוו סאַבסטראַטן, צו מאכן די טעמפעראטור פון די גאנצע סיסטעם מער אייניג."
דערצו, איז איר טערמישע אויסברייטונג קאעפיציענט זייער קליין, נאר בערך 4×10⁻⁶/℃, וואס איז בערך איין-פינפטל פון יענער פון אלומיניום צומיש. איר גרייס בלייבט כמעט אומגעביטן מיט טעמפעראטור ענדערונגען, א כאראקטעריסטיק וואס איז באזונדערס ווערטפול אין לופטפארט אפטישע סיסטעמען און אנטענע סיסטעמען וואס דארפן א גענויע אויסריכטונג. "שטעלט זיך פאר," האט דער דיזיינער געגעבן א ביישפיל, "א גרויסע אנטענע וואס ארבעט אין ארביט, מיט א טעמפעראטור אונטערשייד פון הונדערטער גראד צעלזיוס צווישן די זון-פארענדיקטע און שאטענדעטע זייטן. אויב טראדיציאנעלע מאטעריאלן ווערן גענוצט, קען טערמישע אויסברייטונג און קאנטראקציע פאראורזאכן סטרוקטורעלע דעפארמאציע, וואס באאיינפלוסט די פונקטלעכקייט פון די צייכענונג. אויב נידריג-אויסברייטונג גרינע סיליקאן קארבייד קאמפאזיט מאטעריאלן ווערן גענוצט, קען דאס פראבלעם שטארק פארלייכטערט ווערן."
V. שטילקייט און שוץ: מער ווי נאָר "אויסהאַלטן"
מאָדערנע לופטפארט וועהיקלעס האָבן אַלץ מער הויכע פאָדערונגען אויף שטילקייט פאָרשטעלונג. ראַדאַר שטילקייט ווערט דער הויפּט דערגרייכט דורך פאָרעם פּלאַן און ראַדאַר-אַבזאָרבירנדיקע מאַטעריאַלן, און גרין סיליקאָן קאַרבייד האט אויך קאָנטראָלירבאַר פּאָטענציעל אין דעם געביט. "ריין סיליקאָן קאַרבייד איז אַ האַלב-קאָנדוקטאָר, און זייַנע עלעקטרישע אייגנשאַפטן קענען ווערן אַדזשאַסטיד דורך דאָפּינג," האָט פארגעשטעלט אַן עקספּערט אין פונקציאָנעלע מאַטעריאַלן. "מיר קענען פּלאַן סיליקאָן קאַרבייד קאָמפּאָזיט מאַטעריאַלן מיט ספּעציפֿישער קעגנשטעל צו אַבזאָרבירן ראַדאַר כוואַליעס אין אַ געוויסער אָפטקייט קייט." כאָטש דעם אַספּעקט איז נאָך אין דער פאָרשונג בינע, האָבן עטלעכע לאַבאָראַטאָריעס שוין פּראָדוצירט סיליקאָן קאַרבייד-באַזירטע קאָמפּאָזיט מאַטעריאַל מוסטערן מיט גוטע ראַדאַר-אַבזאָרבירנדיקע פאָרשטעלונג אין די X-באַנד (8-12 GHz).
אין טערמינען פון פּלאַץ שוץ, די כאַרדנאַס מייַלע פוןגרין סיליקאָן קאַרביידאיז אויך קלאר. עס זענען דא א גרויסע צאל מיקראמעטעאראידן און ספעיס דעבריס אין ספעיס. כאטש די מאסע פון יעדן איז זייער קליין, איז זייער שנעלקייט גאר הויך (ביז צענדליגער קילאָמעטער פּער סעקונדע), וואס רעזולטירט אין זייער הויכע אימפּאַקט ענערגיע. "אונדזערע עקספּערימענטן ווייזן אז גרינע סיליקאָן קאַרבייד קאָמפּאָזיט מאַטעריאַלן האָבן 3-5 מאָל די קעגנשטעל צו הויך-גיכקייט פּאַרטיקל אימפּאַקט קאַמפּערד צו אַלומינום אַלויז פון דער זעלביקער גרעב," האט געזאגט אַ ספעיס שוץ פאָרשער. "אויב געניצט אין די פּראַטעקטיוו לייַערס פון ספעיס סטאַנציעס אָדער טיף ספעיס פּראָבעס אין דער צוקונפֿט, קען עס באַדייטנד פֿאַרבעסערן זיכערקייט."
די געשיכטע פון לופטפארט אנטוויקלונג איז, אין א געוויסן זין, די געשיכטע פון מאטעריעלע פארשריט. פון האלץ און לייווענט ביז אלומיניום צומישן, און דערנאך ביז טיטאניום צומישן און קאמפאזיט מאטעריאלן, יעדע מאטעריאל אינוואציע האט געטריבן א שפרונג אין פליגער פאָרשטעלונג. אפשר וועט גרין סיליקאן קארבייד פּודער און זיינע קאמפאזיט מאטעריאלן זיין איינע פון די וויכטיגע טרייבקראפטן פארן קומענדיגן שפרונג פאראויס. יענע מאטעריאל וויסנשאפטלער וואס פארשן מיט פלייס אין לאבאראטאריעס און שטרעבן פאר עקסעלענץ אין פאבריקן קענען שטילערהייט טוישן די צוקונפט פון די הימלען. און גרין סיליקאן קארבייד, דאס אויסזעענדליך געווענליכע מאטעריאל, קען זיין דער "מאגישער פּודער" אין זייערע הענט, וואס העלפט מענטשהייט פליען העכער, ווייטער, און זיכערער.