تصفح الكمية:39 الكاتب:yinsu flame مثبط نشر الوقت: 2025-11-07 المنشأ:www.flameretardantys.com
التقدم البحثي في مجال المواد المعتمدة على الكربون لتطبيقات الفضاء الجوي
ومع تطور الطائرات نحو الوزن الخفيف والموثوقية العالية والوظائف المتعددة، تواجه المواد المعدنية التقليدية اختناقات في الأداء. تحقق المواد المعتمدة على الكربون مثل ألياف الكربون، وأنابيب الكربون النانوية (CNTs)، والجرافين، ومركبات الكربون/الكربون، والهوائيات الكربونية تدريجيًا تطبيقات هندسية في مجال الفضاء الجوي نظرًا لخصائصها الميكانيكية والحرارية والكهربائية الممتازة.


في 15 أكتوبر 2025، نشرت المركبات الجزء ب: الهندسة أحدث الأبحاث بعنوان 'تقدم البحث في المواد المعتمدة على الكربون لتطبيقات الفضاء الجوي' من كلية هندسة المعدات بجامعة شنيانغ ليغونغ، وكلية علوم وهندسة الطيران بجامعة بيهانغ، ومختبر بكين الرئيسي لأبحاث وتطوير تكنولوجيا المسحوق بجامعة بيهانغ، وكلية علوم وهندسة المواد بجامعة شنيانغ ليغونغ، وكلية هندسة الطيران والفضاء في بكين. جامعة نانجينغ للملاحة الجوية والفضائية، ومختبر الدولة الرئيسي للميكانيكا والتحكم في الهياكل الميكانيكية بجامعة نانجينغ للملاحة الجوية والفضائية.


I. المواد الرئيسية القائمة على الكربون


ثانيا. تطبيقات في الفضاء الجوي
أنظمة الحماية الحرارية لدرجات الحرارة العالية
في مجال الطيران، تعتبر أنظمة الحماية الحرارية ضرورية للتشغيل الآمن للطائرات. أثناء الطيران عالي السرعة والعودة إلى الغلاف الجوي، تواجه الطائرات درجات حرارة عالية للغاية وبيئات مؤكسدة، مما يشكل تحديات شديدة للسلامة الهيكلية والاستقرار الوظيفي للمواد. مع زيادة سرعات الطيران ومدة المهام، يجب أن تحافظ أنظمة الحماية الحرارية على أداء مستقر في ظل الظروف القاسية التي تتجاوز 1650 درجة مئوية، خاصة في الأجزاء الرئيسية مثل المكوكات الفضائية والأقماع الأمامية للمركبات التي تفوق سرعتها سرعة الصوت. تحتاج المواد إلى الجمع بين الخصائص الميكانيكية الحرارية الممتازة، والاستقرار الكيميائي الحراري، ومقاومة الصدمات الحرارية، وخصائص خفيفة الوزن/عالية القوة.
1. الدور الرئيسي لـ Hf6Ta2O17 في مقاومة الاجتثاث لمركبات C/C
Wang et al. درس البنية المجهرية المستعرضة لعينات HfC-0HTO، وHfC-1.25HTO، وHfC-2.5HTO، ووجد أنه مع زيادة محتوى HTO، تحسنت كثافة طبقة الأكسيد، وحافظت الواجهة مع طبقة SiC على سلامة جيدة (الشكل 2 أ-و).
بعد 120 ثانية من الاجتثاث، تشكلت طبقة أكسيد كثيفة مكونة من HfO₂ وZrO₂ على السطح المركب، مما يعزز بشكل كبير مقاومة الأكسدة والقدرة على مقاومة التدفق الحراري (الشكل 2i).

الشكل 2. (أف) صور البنية المجهرية المستعرضة لعينات HfC-0HTO، وHfC-1.25HTO، وHfC-2.5HTO، والتي توضح كثافة طبقة الأكسيد وسلامة الواجهة مع طبقة SiC. (ز) صورة للمركبات بعد 120 ثانية من الاجتثاث. (ح) صورة SEM للمركز المركب بعد 120 ثانية من الاجتثاث. (ط) البنية المجهرية السطحية بعد الاجتثاث، حيث يشكل HfO2 وZrO2 طبقة أكسيد كثيفة.
2. السلوك المضاد للأكسدة الممتاز لطلاء ZrB2-SiC المخدر بـ La2O3
لين وآخرون. أعدت طلاء مركب ZrB₂-SiC-La₂O₃ على سطح مركبات C/C باستخدام رش البلازما في الغلاف الجوي. كان أداء عينة ZSL10 التي تحتوي على 10٪ بالوزن La₂O₃ هو الأفضل.
وبعد 10 ساعات من الأكسدة في الهواء عند درجة حرارة 1500 درجة مئوية، أظهر طلاء ZSL10 فقدان كتلة بنسبة 9.62% فقط، مما يدل على مقاومة ممتازة للأكسدة.
بعد ساعتين من الأكسدة، شكل الطلاء بنية شطيرة من 'مرحلة زجاج البورسليكات — (La₀.₁Zr₀.₉)O₁.₉₅₊ₘ — ZrO₂ محلول صلب — طلاء ZSL10 الأصلي' (الشكل 3 أ).
مع امتد وقت الأكسدة إلى 10 ساعات، ذاب الطور الزجاجي وتوسع أكثر، مما أدى إلى تغليف الجزيئات المؤكسدة وتثبيت انتقال الطور لـ La-doped ZrO₂.
تم إنشاء طبقة حاجز Zr(La)-OC مستمرة ذات انتشار منخفض في وقت واحد، مما أدى في النهاية إلى تشكيل طبقة واقية كثيفة وخالية من الشقوق مما أدى إلى تقليل معدل تغلغل الأكسجين بشكل كبير.
3. آلية حماية الشفاء الذاتي لطبقة زجاج SiO2 في مركبات C/SiC
زو وآخرون. وجد أن مركبات C/SiC يمكن أن تشكل بشكل طبيعي طبقة واقية زجاجية مستمرة من SiO₂ من خلال الأكسدة أثناء عملية الاجتثاث.
عندما تكون درجة الحرارة أقل من 1500 درجة مئوية، يتمتع السائل الناتج SiO₂ بسيولة جيدة ويمكنه تلقائيًا ملء الشقوق الصغيرة السطحية، مما يحقق وظيفة 'الإصلاح الذاتي' (الشكل 3ج).
تعمل هذه الخاصية على عزل الأكسجين الخارجي بشكل فعال عن الاتصال بالمصفوفة، مما يمنع بشكل كبير التطوير الإضافي لتفاعلات الأكسدة، مما يوفر ضمانًا لتطبيق ألياف الكربون في البيئات ذات درجات الحرارة العالية.
الشكل 3. (أ) طلاء ZSL10 بعد (أ) ساعتين و(ب) 10 ساعات من الأكسدة، مما يوضح تكوين الطور المستقر عالي الحرارة (La,Zr)O₂ وZr(La)-OC. (ج) رسم توضيحي لعملية الاجتثاث وآلية الحماية الخاصة بها. ( د ) منحنيات درجة حرارة السطح أثناء الاجتثاث لمركبات C / C-SiC-ZrC-Cu ذات محتوى النحاس المتفاوت. ( هـ ) رسم تخطيطي لتطور الاجتثاث للمركب C / C-SiC-ZrC-Cu.
4. تحضير مركبات C/C الجديدة وأدائها الممتاز في العزل الحراري
لي وآخرون. نجح في تحضير مركب C/C بهيكل يشبه الإيروجيل باستخدام تقنية البلمرة المساعدة بالضغط العالي وتجفيف الضغط المحيط (APD)، متضمنًا تقوية الألياف منخفضة التبلور.
تتجنب هذه الطريقة خطوات تبادل المذيبات العضوية المعقدة، وتبسط تدفق العملية، وتقصر دورة التحضير، وتمكن من الإنتاج على نطاق واسع وخالي من الشقوق.
بعد تسخينه بواسطة لهب الأسيتيلين 1800 درجة مئوية لمدة 900 ثانية، كانت درجة الحرارة الخلفية للمادة 685-778 درجة مئوية فقط (الشكل 4 أ)، مما يدل على أداء عزل حراري ممتاز.
حقق تحسين التصميم الهيكلي المجهري انخفاضًا كبيرًا في التوصيل الحراري مع الحفاظ على الخواص الميكانيكية الممتازة، والتغلب على مشاكل التوصيل الحراري العالي والقوة غير الكافية لمواد C/C التقليدية في درجات حرارة عالية.
5. إعداد منخفض التكلفة وفعال ومزايا أداء الجل الهوائي الكربوني المقوى بألياف الكربون (CF/CA)
تشانغ وآخرون. مشربة بألياف بولي أكريلونيتريل (PA N) مع هلام ريزورسينول-فورفورال (RF) يحتوي على ZnCl₂، وتم الحصول على ايروجيل الكربون المقوى بألياف الكربون (CF/CA) من خلال علاجات الشيخوخة والانحلال الحراري (الشكل 4 ب).
تلغي هذه العملية تبادل المذيبات وخطوات التجفيف فوق الحرجة في طريقة سول-جيل التقليدية، مما يتيح إعداد مواد عزل منخفضة التكلفة وفعالة وعالية الحرارة.
تحت جو الأرجون عند 1800 درجة مئوية، حافظ CF/CA على موصلية حرارية منخفضة تبلغ 0.6904 واط/م · كلفن (الشكل 4 ج) وقوة ضغط عالية تبلغ 6.10 ميجا باسكال (الشكل 4 د)، تجمع بين العزل الممتاز لدرجة الحرارة العالية والثبات الميكانيكي.

الشكل 4. (أ) تغيرات درجة الحرارة في الأسطح الأمامية (Tf) والخلفية (Tb) لمركبات C/C التي يتم تسخينها بواسطة لهب أوكسي أسيتيلين عند 1800 درجة مئوية. (ب) مخطط انسيابي لإعداد ايروجيل الكربون المقوى بألياف الكربون (CF/CA). (ج) منحنى الإجهاد والانفعال الضاغط لـ CF / CA. ( د ) التوصيل الحراري لـ CF / CA في جو الأرجون عند درجات حرارة مختلفة.
6. بمساعدة الشيتوزان إعداد ايروجيل الكربون متجانسة عالية الأداء
الرجال وآخرون. تم إعداد جزيئات هوائية كربونية سليمة من الناحية الشكلية وبحجم النانو ومنخفضة الكثافة للغاية عن طريق تحسين تفاعل البلمرة وشبكة الروابط الهيدروجينية بين الشيتوزان والسلائف لبناء هيكل جل معزز.
تظهر عملية التحضير عن طريق تجفيف الضغط المحيط في الشكل 5أ. في ظل الظروف الحمضية، يولد الريسورسينول والفورمالدهيد مشتقات هيدروكسي ميثيل. يتم بروتونات الشيتوزان تحت التحفيز الحمضي وربطها بشكل متقاطع مع الفورمالديهايد لتشكيل بنية شبكة ثلاثية الأبعاد، والتي تعمل كقالب ناعم لتوجيه تفاعل هلام السول ويربط قليلات RF من خلال روابط هيدروجينية، مما يعزز قوة إطار الجل.
تم تفحيم هيدروجيل RF بعد التجفيف عند درجة حرارة 80-100 درجة مئوية تحت الضغط المحيط للحصول على إيروجيل كربوني متجانس كبير الحجم. بدون الشيتوزان، يكون الجل عرضة للتشقق أثناء التجفيف. إضافة الشيتوزان يمنع بشكل فعال الانكماش والتشقق، مما يؤدي إلى aerogels RF خالية من العيوب (الشكل 5ب).

الشكل 5. عملية تحضير ايروجيل الكربون المتآلف النانوي عن طريق تجفيف الضغط المحيط: (أ) رسم تخطيطي لعملية التحضير؛ (ب) رسم تخطيطي لعملية التجفيف.
حماية ضد الأكسجين الذري
1. تهديد بيئة الأكسجين الذري للمركبات الفضائية في المدار الأرضي المنخفض وإمكانات الحماية للمواد المعتمدة على الكربون
في بيئة المدار الأرضي المنخفض (LEO)، يعد الأكسجين الذري (AO) أحد أكثر العوامل البيئية الفضائية تدميراً، الناتج عن التفكك الضوئي للأكسجين الجزيئي الناتج عن الأشعة فوق البنفسجية الشمسية.
AO عالي الأكسدة ويتفاعل مع المواد السطحية للمركبة الفضائية، مما يسبب تآكلًا شديدًا وتدهورًا في الأداء.
تُظهر المواد المعتمدة على الكربون (مثل الجرافين) مقاومة ممتازة للتآكل AO نظرًا لبنيتها الفريدة أحادية الطبقة، مما يجعلها مناسبة بشكل خاص لتطبيقات بيئة LEO.

2. تأثير الجرافين كمادة نانوية ضد تآكل الأكسجين الذري
يمكن أن يؤدي دمج الجرافين كمادة حشو نانوية في مصفوفة بوليمر إلى تحسين مقاومة AO للمادة المركبة بشكل كبير.
تشانغ وآخرون. وجد أن إضافة 0.5٪ بالوزن من الجرافين إلى راتنجات الإيبوكسي يقلل من فقدان الكتلة وإنتاجية التآكل بنسبة 46٪ و 47٪ على التوالي.
يي وآخرون. أظهر أنه في ظل نفس تدفق AO (4.7 × 10²⁰ ذرات · سم⁻²)، يمكن لـ 1٪ فقط بالوزن من الجرافين كبير الحجم قليل الطبقات (FLG) أن يقلل من فقدان كتلة PVA بنسبة 42٪، متفوقًا على FLG صغير الحجم (~ 33٪) وأكسيد الجرافين GO (~ 28٪).
ويعزى التحسن إلى تأثير الحاجز الفيزيائي وتأثير الترابط الكيميائي لـ FLG وGO، مما يمنع بشكل فعال اختراق AO للركيزة.


( ب ) فقدان الكتلة وعائد التآكل للمركبات النانوية الإيبوكسي / الجرافين. (ج) مورفولوجيا رقائق FLG الكبيرة، (د) رقائق FLG الصغيرة، و (هـ) رقائق GO بعد التعرض للأكسجين الذري (AO). (و) رسم تخطيطي لتشكيل السندات وتأثير الحاجز. ( ز ) رسم تخطيطي لتخلل AO من خلال رقائق الجرافين الكبيرة. (ح) رسم تخطيطي لاختراق AO من خلال رقائق الجرافين الصغيرة. (ط) رسم تخطيطي لاختراق AO من خلال رقائق أكسيد الجرافين. فقدان الكتلة بالنسبة إلى PI للأفلام المركبة ذات محتويات حشو مختلفة تحت تأثير إجمالي AO يبلغ 10 × 10²⁰ ذرات / سم²: (ي) EGs و (ك) EGs/الجسيمات النانوية. رسم تخطيطي للآليات التي من خلالها (ل) EGs و (م) EGs / الجسيمات النانوية تعزز مقاومة التآكل AO لـ PI. ( ن ) تأثيرات الحاجز والترابط بين EGs و AO. ( س ) قوة الانحناء ثلاثية النقاط لمركبات C / C و SiC-C / C بعد أوقات تشعيع AO مختلفة. ( ع ) معدل التغير الشامل لمركبات C / C و SiC-C / C بعد أوقات تشعيع AO مختلفة.
3. مثال تطبيقي لطلاء الجرافين في حماية الأكسجين الذري
يمكن أن يؤدي ترسيب طلاء SiC على سطح مركبات C/C باستخدام تقنية CVD إلى تحسين مقاومتها للتآكل AO بشكل كبير. زاد معدل الاحتفاظ بالقوة بنسبة 20.3%، وانخفض معدل فقدان الكتلة بنسبة 60%.
تم أكسدة سطح C/C غير المحمي مباشرة إلى CO/CO₂ عند الاصطدام بواسطة AO عالي السرعة، مما يشكل حفر تآكل تشبه قرص العسل. في المقابل، أنتج سطح SiC-C/C طبقة واقية كثيفة من SiO₂/SiCₓOᵧ في الموقع، مصحوبة بترسيب طور الجرافيت وتوسيع الحجم، مما يساعد على إغلاق الشقوق ومنع المزيد من تآكل AO لمصفوفة الكربون الداخلية.


( ب ) رسم تخطيطي لآليات الضرر الناجم عن الأكسجين الذري (AO) في مركبات C / C و SiC-C / C. (ج) رسم تخطيطي لتجربة التعرض للأكسجين الذري . (د) منشأة محاكاة أرضية لتأثيرات الأكسجين الذري. ( هـ ) رسم تخطيطي يوضح آلية طلاء الجرافين الذي يحمي Kapton من تآكل AO.
4. مزايا السلامة الهيكلية والشفافية البصرية للطلاءات المركبة من الجرافين
تسوى وآخرون. طور طلاء مركب بولي سيلوكسان -60 مجلد بنسبة الجرافين SiO₂ (G-PSS)، مطلي بشكل موحد على سطح Kapton باستخدام طريقة sol-gel مقترنة بعمليات طلاء تراجع متعددة.
في ظل محاكاة إجمالي تأثر LEO AO يبلغ 1.86×10²⁰ ذرة/سم²، تراوح معدل تآكل طلاء G-PSS من 9.77×10⁻²⁷ إلى 1.25×10⁻²⁶ سم³/ذرة، بثلاثة أوامر من حيث الحجم أقل من Kapton العاري وترتيب واحد من حيث الحجم يفوق طلاء PSS بدون الجرافين.
بعد التعرض لـ AO، أظهر سطح Kapton العاري بنية خشنة ومسامية تشبه السجاد، في حين ظل سطح طلاء G-PSS دون تغيير تقريبًا، بدون مسام أو شقوق صغيرة، مما يثبت أن الجرافين يعوض بشكل فعال عن العيوب في طلاء PSS.
يحافظ طلاء G-PSS على نفاذية الضوء المرئي بنسبة تزيد عن 90% قبل وبعد معالجة AO، ويجمع بين مقاومة التآكل الممتازة والشفافية البصرية العالية، ويلبي متطلبات الأداء البصري لأسطح المركبات الفضائية.


( أ ) صورة SEM لـ Kapton قبل تآكل AO. ( م ) صور SEM لـ Kapton بعد تآكل AO. ( ب ) صورة SEM لـ Kapton المطلية بالجرافين (التحميل: 26.0 ميكروغرام / سم²) قبل تآكل AO. ( df ) صور SEM لنفس Kapton المطلي بعد تآكل AO (تأثير AO: 7.09 × 10²⁰ ذرات / سم²). (gj) الصور السطحية بعد التعرض AO: (g) Kapton، (h) Graphene، (i) طلاء هجين PSS، (j) طلاء مركب G-PSS. ( ك ) مقارنة الشفافية بين Kapton والطلاء المركب G-PSS قبل وبعد التعرض لتأثير AO يبلغ 1.86 × 10²⁰ ذرة / سم².
التدريع الكهرومغناطيسي والمواد الممتصة للموجات
1. التحسين الهيكلي وتحسين أداء المواد المعتمدة على الكربون في امتصاص الموجات الدقيقة
من خلال الاختيار العقلاني لمكونات الحشو وتحسين هيكل المادة، يمكن تحسين قدرة امتصاص المواد بالموجات الدقيقة بشكل كبير.
تضع نتائج الأبحاث ذات الصلة أساسًا نظريًا لتطوير التوافق الكهرومغناطيسي وتكنولوجيا التخفي في المعدات الفضائية والعسكرية، وتوفر مسارات تقنية فعالة للتطبيق الهندسي لمواد امتصاص الموجات الدقيقة.
يوضح الشكل التالي مخططات التحضير لمختلف مواد امتصاص الميكروويف المتقدمة. تشمل هذه المواد مادة FGS/PS المسامية (قولبة الضغط + طريقة الملح المنصهر)، هيكل MSS متعدد الطبقات (راتنجات الإيبوكسي، 1% بالوزن من MWCNTs، 4% بالوزن من MWCNTs)، مركب نانوي ثلاثي الطبقات وأداء امتصاصه، وبناء مادة Ni/MnO-CA وآلية امتصاص الموجات الكهرومغناطيسية، وهيكل التدريع الكهرومغناطيسي لـ LCF/PC-SiC.

( أ ) رسم تخطيطي لتصنيع مواد FGS / PS المسامية عبر صب الضغط وترشيح الملح. ( ب ) هيكل متعدد الطبقات MSS: الراتنج الايبوكسي، 1٪ بالوزن MWCNTs، و 4٪ بالوزن MWCNTs. ( ج ) تسلسل طبقة المركب النانوي ثلاثي الطبقات. ( د ) أداء امتصاص الميكروويف للمركب النانوي ثلاثي الطبقات. ( هـ ) رسم تخطيطي لعملية إعداد Ni / MnO-CA. ( و ) رسم تخطيطي لآلية امتصاص الموجات الكهرومغناطيسية لـ Ni / MnO-CA. (ز) رسم تخطيطي لآلية التدريع من الموجات الكهرومغناطيسية لـ LCF/PC-SiC.
2. تحليل خصائص التطبيق
تقليل الوزن وتوفير الطاقة: يمكن لمركبات ألياف الكربون أن تقلل الوزن بنسبة 20% إلى 40% مقارنة بسبائك الألومنيوم، مما يحسن بشكل كبير من كفاءة استهلاك الوقود، ويستخدم على نطاق واسع في طائرات الركاب الكبيرة.
مقاومة البيئات القاسية: يمكن أن تعمل مركبات الكربون/الكربون لفترات طويلة في بيئات عالية الحرارة وخالية من الأكسجين، وهي مناسبة للمناطق ذات درجات الحرارة المرتفعة أثناء العودة إلى الغلاف الجوي.
التكامل متعدد الوظائف: يمنح الجرافين والأنابيب النانوية الكربونية المواد بوظائف مثل التوصيل الكهربائي، والتوصيل الحراري، والاستشعار، مما يدعم تطوير الهياكل الذكية.
عزل حراري فعال: يعتبر ايروجيل الكربون أحد المواد الصلبة ذات الموصلية الحرارية الأقل المعروفة، وهو مناسب لتصميم العزل السلبي في مهام استكشاف الفضاء السحيق.
التحديات الحالية
على الرغم من أن المواد المعتمدة على الكربون تظهر إمكانات كبيرة في مجال الطيران، إلا أن المشاكل التالية لا تزال قائمة:
ضعف مقاومة الأكسدة: تتأكسد المواد الكربونية بسهولة في البيئات ذات درجات الحرارة العالية والتي تحتوي على الأكسجين وتتطلب استخدام الطلاءات مثل SiC.
تكلفة التصنيع العالية: تكلفة إنتاج ألياف الكربون عالية الأداء والمركبات الهيكلية المعقدة مرتفعة، مما يحد من التطبيق على نطاق واسع.
صعوبة التحكم في اتساق العملية: تتمتع المواد النانوية الكربونية بتشتت ضعيف وتكون عرضة للتكتل أثناء عملية التركيب، مما يؤثر على استقرار الأداء.
اتجاهات التنمية المستقبلية
تعزيز التصميم الهيكلي متعدد النطاق لتحقيق التحسين التآزري للخصائص الميكانيكية والوظيفية.
إنشاء نماذج علاقة بين هيكل المادة وممتلكاتها لتوجيه التصميم العقلاني للمواد الكربونية الجديدة.
تطوير تقنيات تشكيل آلية ومنخفضة التكلفة لتحسين قابلية التصنيع.
استكشف عمليات التحضير الخضراء لتقليل استهلاك الطاقة والأثر البيئي.

باختصار، أصبحت المواد المعتمدة على الكربون هي المواد الأساسية التي تقود تطوير المركبات الفضائية عالية الأداء نظرًا لخصائصها الممتازة مثل الوزن الخفيف والقوة العالية ومقاومة البيئات القاسية والتكامل متعدد الوظائف. ومع ذلك، فإن قابليتها للأكسدة في البيئات ذات درجات الحرارة المرتفعة والتي تحتوي على الأكسجين تظل تحديًا رئيسيًا يجب التغلب عليه. بالتركيز على نقطة الضعف هذه في الصناعة، فإن شركة Yinsu Flame Retardant Company، المتخصصة في البحث، التطوير، وإنتاج مثبطات اللهب، سوف تستوعب هذا الاتجاه بشكل فعال في المستقبل. نحن ملتزمون بتطوير مثبطات لهب جديدة وعالية الكفاءة ومتوافقة مع المواد المعتمدة على الكربون. من خلال الابتكار التكنولوجي المستمر والتعاون البحثي بين الصناعة والأوساط الأكاديمية، نهدف إلى توفير حلول متقدمة لمثبطات اللهب لمعالجة نقاط الضعف الكامنة في المواد القائمة على الكربون، والمساهمة بالقوة الأساسية في تحويل وترقية صناعة مثبطات اللهب بأكملها نحو الأداء العالي والوظائف المتعددة، والمساعدة في دفع صناعة الطيران إلى آفاق جديدة.