Վերջերս ես ընթրիքի մեջ էի իմ հին դասընկերոջ հետ, որն աշխատում է ավիատիեզերական նյութերի հետազոտական ինստիտուտում։ Մենք խոսեցինք նրանց վերջին նախագծերի մասին, և նա խորհրդավոր կերպով ասաց ինձ. «Գիտե՞ս, թե հիմա մեզ ամենաշատը ինչ նոր նյութ է հետաքրքրում։ Գուցե չհավատաս՝ դա այն փոշին է, որը նման է նուրբ կանաչ ավազի»։ Տեսնելով իմ շփոթված արտահայտությունը, նա ժպտաց և ավելացրեց. «Կանաչ սիլիցիումի կարբիդի միկրոփոշի«Լսե՞լ եք դրա մասին։ Այս նյութը կարող է մի փոքր հեղափոխություն առաջացնել ավիատիեզերական ոլորտում»։ Անկեղծ ասած, սկզբում ես կասկածամիտ էի. ինչպե՞ս կարող էր այդ հղկող նյութը, որը լայնորեն օգտագործվում է հղկող անիվներում և կտրող սկավառակներում, կապված լինել բարդ ավիատիեզերական արդյունաբերության հետ։ Բայց երբ նա ավելի մանրամասն բացատրեց, ես հասկացա, որ դա շատ ավելին է, քան կարծում էի։ Այսօր եկեք խոսենք այս թեմայի մասին։
I. Այս «խոստումնալից նյութի» հետ ծանոթանալը
Կանաչ սիլիցիումի կարբիդը, ըստ էության, սիլիցիումի կարբիդի (SiC) տեսակ է: Համեմատած սովորական սև սիլիցիումի կարբիդի հետ, այն ունի ավելի բարձր մաքրություն և ավելի քիչ խառնուրդներ, այստեղից էլ՝ իր յուրահատուկ բաց կանաչ գույնը: Ինչ վերաբերում է «միկրոփոշի» անվանմանը, ապա դա վերաբերում է իր շատ փոքր մասնիկի չափսին, որը սովորաբար մի քանի միկրոմետրից մինչև տասնյակ միկրոմետր է՝ մարդու մազի տրամագծի մոտ մեկ տասներորդից մինչև կեսը: «Թույլ մի տվեք, որ դրա ներկայիս օգտագործումը հղկող արդյունաբերության մեջ խաբի ձեզ», - ասաց իմ դասընկերը, - «այն իրականում ունի գերազանց հատկություններ՝ բարձր կարծրություն, բարձր ջերմաստիճանային դիմադրություն, քիմիական կայունություն և ջերմային ընդարձակման ցածր գործակից: Այս բնութագրերը գործնականում հատուկ նախատեսված են ավիատիեզերական ոլորտի համար»:
Հետագայում ես որոշ հետազոտություններ կատարեցի և պարզեցի, որ սա իսկապես ճիշտ է: Կանաչ սիլիցիումի կարբիդի կարծրությունը զիջում է միայն ադամանդին և խորանարդ բորի նիտրիդին. օդում այն կարող է դիմանալ մոտ 1600°C բարձր ջերմաստիճաններին՝ առանց օքսիդանալու, իսկ դրա ջերմային ընդարձակման գործակիցը սովորական մետաղների ջերմային ընդարձակման գործակիցի ընդամենը մեկ քառորդից մեկ երրորդն է: Այս թվերը կարող են մի փոքր չոր թվալ, բայց ավիատիեզերական ոլորտում, որտեղ նյութերի կատարողականի պահանջները չափազանց խիստ են, յուրաքանչյուր պարամետր կարող է հսկայական արժեք բերել:
II. Քաշի նվազեցում. Տիեզերանավի հավերժական հետապնդումը
«Ավիատիեզերական ոլորտում քաշի նվազեցումը միշտ էլ գլխավորն է», - ասվում է...ավիատիեզերականԻնժեներն ինձ ասաց. «Խնայված քաշի յուրաքանչյուր կիլոգրամը կարող է զգալիորեն խնայել վառելիք կամ մեծացնել օգտակար բեռը»։ Ավանդական մետաղական նյութերն արդեն հասել են իրենց սահմաններին քաշի նվազեցման առումով, ուստի բոլորի ուշադրությունը, բնականաբար, ուղղված է կերամիկական նյութերի վրա։ Կանաչ սիլիցիումի կարբիդով ամրացված կերամիկական մատրիցային կոմպոզիտները ամենախոստումնալից թեկնածուներից մեկն են։ Այս նյութերը սովորաբար ունեն ընդամենը 3.0-3.2 գրամ խտություն մեկ խորանարդ սանտիմետրի համար, որը զգալիորեն ավելի թեթև է, քան պողպատը (7.8 գրամ մեկ խորանարդ սանտիմետրի համար) և նաև ակնհայտ առավելություն ունի տիտանի համաձուլվածքների նկատմամբ (4.5 գրամ մեկ խորանարդ սանտիմետրի համար)։ Կարևոր է, որ այն պահպանում է բավարար ամրություն՝ միաժամանակ նվազեցնելով քաշը։
«Մենք ուսումնասիրում ենք կանաչ սիլիցիումի կարբիդային կոմպոզիտների օգտագործումը շարժիչի պատյանների համար», - բացահայտեց ավիատիեզերական շարժիչի նախագծողը: «Եթե մենք օգտագործեինք ավանդական նյութեր, այս բաղադրիչը կկշռեր 200 կիլոգրամ, բայց նոր կոմպոզիտային նյութի դեպքում այն կարող է կրճատվել մինչև մոտ 130 կիլոգրամ: Ամբողջ շարժիչի համար այս 70 կիլոգրամանոց կրճատումը նշանակալի է»: Ավելի լավ է, որ քաշի կրճատման ազդեցությունը կասկադային է: Ավելի թեթև կառուցվածքային բաղադրիչները թույլ են տալիս համապատասխանաբար նվազեցնել կրող կառուցվածքների քաշը, ինչպես դոմինոյի էֆեկտը: Ուսումնասիրությունները ցույց են տվել, որ տիեզերանավում կառուցվածքային բաղադրիչների քաշի 1 կիլոգրամանոց կրճատումը, ի վերջո, կարող է հանգեցնել համակարգային մակարդակի քաշի 5-10 կիլոգրամանոց կրճատման:
III. Բարձր ջերմաստիճանի դիմադրություն. շարժիչների «կայունացուցիչը»
Ավիաշարժիչների աշխատանքային ջերմաստիճանները անընդհատ բարձրանում են. առաջադեմ տուրբոօդափոխիչ շարժիչների տուրբինի մուտքի ջերմաստիճանը այժմ գերազանցում է 1700°C-ը: Այս ջերմաստիճանում նույնիսկ շատ բարձր ջերմաստիճանային համաձուլվածքներ սկսում են խափանվել: «Շարժիչի տաք հատվածքի բաղադրիչները ներկայումս ընդլայնում են նյութերի կատարողականության սահմանները», - ասաց իմ համակուրսեցին հետազոտական ինստիտուտից: «Մեզ շտապ անհրաժեշտ են նյութեր, որոնք կարող են կայուն աշխատել նույնիսկ ավելի բարձր ջերմաստիճաններում»: Կանաչ սիլիցիումի կարբիդային կոմպոզիտները կարող են կարևոր դեր խաղալ այս ոլորտում: Մաքուր սիլիցիումի կարբիդը կարող է դիմակայել 2500°C-ից բարձր ջերմաստիճաններին իներտ միջավայրում, չնայած օդում օքսիդացումը սահմանափակում է դրա օգտագործումը մոտ 1600°C-ով: Այնուամենայնիվ, սա դեռևս 300-400°C-ով ավելի բարձր է, քան բարձր ջերմաստիճանային համաձուլվածքների մեծ մասը:
Ավելի կարևոր է, որ այն պահպանում է բարձր ամրությունը բարձր ջերմաստիճաններում: «Մետաղական նյութերը «մեղմանում» են բարձր ջերմաստիճաններում՝ ցուցաբերելով զգալի սողք», - բացատրեց նյութերի փորձարկման ինժեները: «Սակայն սիլիցիումի կարբիդային կոմպոզիտները կարող են պահպանել իրենց սենյակային ջերմաստիճանի ամրության ավելի քան 70%-ը 1200°C-ում, ինչը շատ դժվար է մետաղական նյութերի համար»: Ներկայումս որոշ հետազոտական հաստատություններ փորձում են օգտագործելկանաչ սիլիցիումի կարբիդկոմպոզիտներ՝ ոչ պտտվող բաղադրիչների, ինչպիսիք են ծայրակալի ուղղորդող թևիկները և այրման խցիկի ծածկույթները, արտադրության համար: Եթե այս կիրառությունները հաջողությամբ կիրառվեն, շարժիչների քարշիչ ուժը և արդյունավետությունը, ակնկալվում է, որ էլ ավելի կբարելավվեն: IV. Ջերմային կառավարում. Ջերմության «ենթարկեցում»
Տիեզերքում ավիատիեզերական տրանսպորտային միջոցները բախվում են ծայրահեղ ջերմային միջավայրերի. արևին ուղղված կողմում ջերմաստիճանը կարող է գերազանցել 100°C-ը, մինչդեռ ստվերոտ կողմում ջերմաստիճանը կարող է իջնել մինչև -100°C: Այս հսկայական ջերմաստիճանային տարբերությունը լուրջ մարտահրավեր է նյութերի և սարքավորումների համար: Կանաչ սիլիցիումի կարբիդն ունի շատ ցանկալի բնութագիր՝ գերազանց ջերմահաղորդականություն: Դրա ջերմահաղորդականությունը 1.5-3 անգամ գերազանցում է սովորական մետաղներինը և ավելի քան 10 անգամ գերազանցում է սովորական կերամիկական նյութերին: Սա նշանակում է, որ այն կարող է արագորեն ջերմությունը փոխանցել տաք տարածքներից սառը տարածքներ՝ նվազեցնելով տեղայնացված գերտաքացումը: «Մենք դիտարկում ենք կանաչ սիլիցիումի կարբիդային կոմպոզիտների օգտագործումը արբանյակների ջերմային կառավարման համակարգերում», - ասել է ավիատիեզերական դիզայները, - «օրինակ՝ որպես ջերմային խողովակների պատյան կամ որպես ջերմահաղորդական հիմքեր՝ ամբողջ համակարգի ջերմաստիճանը ավելի միատարր դարձնելու համար»:
Բացի այդ, դրա ջերմային ընդարձակման գործակիցը շատ փոքր է՝ ընդամենը մոտ 4×10⁻⁶/℃, որը կազմում է ալյումինե համաձուլվածքի չափի մոտ մեկ հինգերորդը: Դրա չափը գրեթե անփոփոխ է մնում ջերմաստիճանի փոփոխություններից հետո, մի բնութագիր, որը հատկապես արժեքավոր է ավիատիեզերական օպտիկական համակարգերում և ճշգրիտ դասավորություն պահանջող անտենային համակարգերում: «Պատկերացրեք,- օրինակ բերեց նախագծողը,- ուղեծրում գործող մեծ անտենա, որի արևին նայող և ստվերոտ կողմերի միջև ջերմաստիճանի տարբերությունը հարյուրավոր աստիճան Ցելսիուս է: Եթե օգտագործվում են ավանդական նյութեր, ջերմային ընդարձակումը և կծկումը կարող են առաջացնել կառուցվածքային դեֆորմացիա, որը կազդի ուղղորդման ճշգրտության վրա: Եթե օգտագործվում են ցածր ընդարձակման կանաչ սիլիցիումի կարբիդային կոմպոզիտային նյութեր, այս խնդիրը կարող է զգալիորեն մեղմվել»:
V. Գաղտագողի գործելակերպ և պաշտպանություն. ավելին, քան պարզապես «դիմադրել»
Ժամանակակից աէրոտիեզերական տրանսպորտային միջոցները ավելի ու ավելի բարձր պահանջներ ունեն գաղտագողի աշխատանքի նկատմամբ: Ռադարային գաղտագողի աշխատանքը հիմնականում իրականացվում է ձևի նախագծման և ռադարային կլանող նյութերի միջոցով, և կանաչ սիլիցիումի կարբիդը նույնպես կառավարելի ներուժ ունի այս ոլորտում: «Մաքուր սիլիցիումի կարբիդը կիսահաղորդիչ է, և դրա էլեկտրական հատկությունները կարող են կարգավորվել դոպինգի միջոցով», - ներկայացրեց ֆունկցիոնալ նյութերի փորձագետը: «Մենք կարող ենք նախագծել սիլիցիումի կարբիդային կոմպոզիտային նյութեր՝ որոշակի դիմադրողականությամբ՝ որոշակի հաճախականության տիրույթում ռադարային ալիքները կլանելու համար»: Չնայած այս ասպեկտը դեռևս հետազոտության փուլում է, որոշ լաբորատորիաներ արդեն իսկ ստեղծել են սիլիցիումի կարբիդի վրա հիմնված կոմպոզիտային նյութերի նմուշներ՝ X-շերտում (8-12 ԳՀց) լավ ռադարային կլանող աշխատանքով:
Տարածքի պաշտպանության առումով, կարծրության առավելությունըկանաչ սիլիցիումի կարբիդԱկնհայտ է նաև։ Տիեզերքում կան մեծ թվով միկրոմետեորոիդներ և տիեզերական աղբ։ Չնայած յուրաքանչյուրի զանգվածը շատ փոքր է, դրանց արագությունը չափազանց բարձր է (մինչև տասնյակ կիլոմետր վայրկյանում), ինչը հանգեցնում է շատ բարձր հարվածային էներգիայի։ «Մեր փորձերը ցույց են տալիս, որ կանաչ սիլիցիումի կարբիդային կոմպոզիտային նյութերը 3-5 անգամ ավելի մեծ դիմադրություն ունեն բարձր արագությամբ մասնիկների հարվածի նկատմամբ՝ համեմատած նույն հաստության ալյումինե համաձուլվածքների հետ», - ասել է տիեզերական պաշտպանության հետազոտողը։ «Եթե ապագայում օգտագործվի տիեզերական կայանների կամ խորը տիեզերական զոնդերի պաշտպանիչ շերտերում, դա կարող է զգալիորեն բարելավել անվտանգությունը»։
Ավիատիեզերական զարգացման պատմությունը, որոշ իմաստով, նյութերի առաջընթացի պատմություն է: Փայտից և կտավից մինչև ալյումինե համաձուլվածքներ, ապա՝ տիտանի համաձուլվածքներ և կոմպոզիտային նյութեր, յուրաքանչյուր նյութական նորարարություն թռիչք է առաջացրել ինքնաթիռների աշխատանքի մեջ: Հնարավոր է, որ կանաչ սիլիցիումի կարբիդի փոշին և դրա կոմպոզիտային նյութերը լինեն հաջորդ առաջընթացի կարևոր շարժիչ ուժերից մեկը: Այն նյութագետները, ովքեր ջանասիրաբար հետազոտություններ են անում լաբորատորիաներում և ձգտում են գերազանցության գործարաններում, կարող են աննկատ փոխել երկնքի ապագան: Եվ կանաչ սիլիցիումի կարբիդը՝ այս թվացյալ սովորական նյութը, կարող է լինել «կախարդական փոշին» նրանց ձեռքերում, որը կօգնի մարդկությանը թռչել ավելի բարձր, ավելի հեռու և ավելի անվտանգ: