در حال بررسی...کامپوزیت های ماتریس سرامیکی
کامپوزیت های ماتریس سرامیکی (CMC) به‌عنوان جایگزین‌های سبک‌وزن برای آلیاژهای فلزی در نظر گرفته می‌شوند که تقریبا با یک سوم چگالی این مواد، دارای خواص فیزیکی و حرارتی برتری هستند. پیشرفت در فناوری مواد، این کامپوزیت های ماتریس سرامیکی را به گزینه‌ای محبوب برای طیف وسیعی از کاربردها در دمای بالا، از جمله استفاده از آن در اجزای داخلی موتور تبدیل کرده‌است.
سامانه‌های احتراق و خروجی موتورهای توربوفن روزآمد از لاینرها و پانل‌های مبتنی بر CMC استفاده می‌کنند. با دمای ورودی توربین نزدیک به ۱۷۰۰ درجه سانتیگراد، موتورهای توربوفن به مواد ویژه برای مدیریت حرارتی کارآمد نیاز دارند.
این مواد ترکیبی از الیاف سرامیکی هستند که در ماتریس‌های سرامیکی تعبیه شده‌اند. مواد CMC بسته به کاربرد، از کربن-کربن گرفته تا کاربید کربن-سیلیکون و آلومینیوم، دارای اشکال مختلفی هستند. در طول ساخت این کامپوزیت‌ها، الیاف قبل از نفوذ به مواد ماتریس به شکل یا فرم موردنظر لایه‌گذاری می‌شوند.
به غیر از لایه‌گذاری از پیش‌ساخته‌شده، تثبیت الیاف را می‌توان از طریق رشته پیچی، بافتن یا گره‌زدن نیز به دست آورد. پس از رسوب مواد ماتریس، ماشین‌کاری لازم انجام می‌شود. بسته به الزامات مواد، فرآیند‌های بیشتری مانند پوشش‌دهی یا آغشته‌سازی نیز ممکن است انجام شود.
کامپوزیت های ماتریس سرامیکی مورد استفاده در موتورهای توربین گاز، معمولا از کاربید سیلیکون، الیاف سرامیکی و رزین سرامیکی ساخته می‌شوند. آنها از طریق یک فرآیند نفوذ پیچیده تولید شده و با پوشش‌دهی تقویت می‌شوند. چنین کامپوزیت‌هایی در برابر شوک حرارتی و چقرمگی ضربه‌ای، مقاومت بسیار بالایی دارند.
استفاده از CMC در موتورهای توربوفن
مرکز تحقیقات جهانی جنرال الکتریک و بخش هوانوردی آن، در حال توسعه فناوری CMC برای بخش‌های داغ موتورهای تجاری مختلف هستند. اجزای اصلی محفظه احتراق، توربین‌های پرفشار و نازل‌ها با استفاده از کامپوزیت های ماتریس سرامیکی ساخته می‌شوند.
بنابر اعلام جنرال الکتریک، شراود‌های توربین جنرال الکتریک ساخته‌شده از CMC، در حال حاضر با موفقیت در داغ‌ترین بخش موتور توربوفن لیپ محصول شرکت CFM International عملیاتی هستند و نیروی پیشران صدها هواپیمای تجاری را تامین می‌کنند.
رولزرویس متعهد به بهبود عملکرد موتورهای توربوفن از طریق استفاده از فناوری CMC در مکان‌های مختلف در تمام موتورهای خود است. وزن کلی موتور به دلیل چگالی جرمی کمتر این مواد در مقایسه با آلیاژهای فلزی سنتی بطور قابل‌توجهی کاهش می‌یابد.
بنابر اعلام رولزرویس، کامپوزیت های ماتریس سرامیکی، مزایای متعددی را برای طیف وسیعی از صنایع با فناوری‌های پیشرفته مانند هوافضا و سایر کاربردها با الزامات حرارتی و مکانیکی دشوار ارائه می‌دهند. این کامپوزیت‌ها قابلیت دمای بالا سرامیک‌ها را با استحکام و قابلیت اطمینان که برای کاربرد در موتورهای توربین گازی لازم است ارائه داده، اما وزن کمتری نسبت به آلیاژهای فعلی دارند.
مقاومت حرارتی برتر کامپوزیت های ماتریس سرامیکی باعث صرفه‌جویی در مصرف سوخت، آلایندگی و سروصدای کمتر می‌شود. رولزرویس فناوری CMC را در برنامه‌های مختلف موتور، از جمله طراحی هسته اولترافن پیاده‌سازی می‌کند.
” بخوانید: صدای موتور هواپیما چگونه کنترل می‌شود؟ “
به دلیل خواص حرارتی عالی، اجزای CMC نسبت به اجزای سنتی مبتنی بر نیکل، نیاز به خنک‌کاری کمتری دارند. به این ترتیب، چندین کانال خنک‌کاری را می‌توان برای دستیابی به طراحی ساده‌تر به حداقل رساند یا حذف کرد.
بنابر اعلام جنرال الکتریک، حذف هوای خنک‌کاری باعث می‌شود تا موتور توربوفن با نیروی پیشران بالاتر و یا کارآمدتر کار کند. ترکیب ویژگی‌های منحصر به فرد این کامپوزیت‌ها بر روی یک موتور توربین، دوام موتور را افزایش داده و نیاز به هوای خنک‌کاری را کاهش می‌دهد. این دستاوردها بهره‌وری احتراق را بهبود می‌بخشد و مصرف سوخت را کاهش می‌دهد.
موتورهای توربوفن پربازده امروزی داغ‌تر از همیشه کار می‌کنند و اغلب از محدودیت‌های مواد سنتی فراتر می‌روند. استفاده از کامپوزیت های ماتریس سرامیکی به سازندگان اجازه می‌دهد تا به عملکرد حرارتی مطلوب دست یابند و در عین حال صدها پاوند از وزن موتور را کاهش دهند.
منبع:
#جنرال الکتریک #موتور توربوفن #رولزرویس
