Применение передовой керамики в аэрокосмической отрасли
За последние несколько десятилетий пьезоэлектрические материалы сыграли ключевую роль в области аэрокосмического машиностроения. Одним из основных факторов снижения авиационных отказов является мониторинг их состояния. Для этой цели специально разрабатываются различные типы датчиков для летательных аппаратов. Для работы всех этих датчиков требуется значительное количество энергии, и поэтому были приняты технологии сбора энергии. В этой статье обсуждаются применения пьезоэлектрических материалов в мониторинге состояния, датчиках летательных аппаратов и устройствах для сбора энергии. Подробно рассматривается, как пьезоэлектрические материалы используются на различных этапах в аэрокосмической промышленности.
Ключевые направления применения пьезоэлектрических материалов PZT в аэрокосмической отрасли
1. Пьезоэлектрические системы мониторинга состояния конструкций (SHM) в авиации
Пьезоэлектричество используется для мониторинга состояния конструкций (SHM), который проверяет целостность механических структур во время их эксплуатации. Это особенно важно там, где безопасность является серьезной проблемой, например, в транспортных конструкциях, инфраструктуре и строительных конструкциях. Постоянный мониторинг имеет очевидные экономические преимущества по сравнению с традиционными проверками, такими как те, которые требуют запланированных перерывов в обслуживании или даже демонтажа выбранных компонентов самолетов.
Как это работает:
Датчики, используемые в SHM, закрепляются или интегрируются в конструкции, где они непрерывно их контролируют. Системы SHM могут быть либо «активными», либо «пассивными». «Пассивные» системы только «слушают» возможный шум, генерируемый распространением трещин (особенно в случае композитных конструкций) или изменениями в частотной характеристике конструкции. «Активные» системы генерируют акустические волны внутри материала. Когда высокочастотный акустический импульс, испускаемый преобразователем, встречает материалы с разным акустическим сопротивлением (плотностью и скоростью звука), они частично поглощаются или отражаются. «Активный» SHM использует различные методы, наиболее распространенными из которых являются анализ передачи между двумя преобразователями («pitch-catch») или прослушивание отраженного звука («pulse-echo»). Если в структуре присутствует дефект, отраженный сигнал увеличится, а излучаемый сигнал уменьшится. Обнаружение, локализация, характеристика и оценка дефекта требуют сложной обработки и анализа сигналов.
2. Пьезоэлектрические приводы и системы управления в космических аппаратах
Пьезоэлектрические приводы, в частности, обеспечили значительные улучшения для многих аэрокосмических применений, от управления спутниками до реактивного движения.
Пьезокерамика используется в микро-двигателях для спутников, где микро-двигатели используются для позиционирования и стабилизации спутника. Естественно, большое внимание уделяется надежности и функциональности продуктов, используемых в космосе.
Как это работает:
Микро-двигатели могут использовать различные технологии, но интересующая нас здесь — это так называемые «микро-двигатели на холодном газе». В этом методе двигатели создают очень маленькие и контролируемые силы (<500 мкН) путем выброса газа, хранящегося в баллоне высокого давления (обычно азот). Это требует как точного контроля давления топлива в цепи, так и быстрого, точного «дозирования». Интегрированный в клапан пьезоэлектрический привод обеспечивает обе эти функции. Для резервирования микро-двигатели оснащаются несколькими пьезоэлектрическими приводами. Движение пьезоэлектрических приводов обеспечивает быстрое, точное управление расходом во время работы.
3. Пьезоэлектрические датчики для обнаружения космического мусора и метеороидов
По мере усиления исследования космоса необходимость понимания этой новой среды становится все более важной. В течение многих лет NASA тестировало возможность использования пьезоэлектрических датчиков для обнаружения воздействия космических частиц и мусора. Учитывая возможности пьезоэлектрических компонентов, NASA разработало ударный пьезокерамический датчик для обнаружения микрометеороидов и субмиллиметрового орбитального мусора, которые обычно трудно отследить. Ударные пьезоэлектрические датчики работают, используя тонкие пьезоэлектрические полоски или пластины. Когда космический мусор ударяет по пьезоэлектрическому датчику, столкновение частицы генерирует колебательные волны на пьезоэлектрической полоске или пластине. Колебательное движение от удара мусора создает электрический сигнал, пропорциональный приложенной деформации, позволяя пьезоэлектрическому датчику захватить местоположение удара и использовать эту информацию для определения данных о скорости и направлении. Пропорциональный заряд, генерируемый ударом, также может быть использован для определения материала и плотности частицы. В целом, возможности обнаружения ударов, предоставляемые пьезокерамическими датчиками, открывают дверь к всестороннему пониманию космической среды.
Специализированная керамика для аэрокосмической техники: компоненты и покрытия
4. Высокотемпературная керамика для современных авиационных двигателей
Все двигатели основаны на принципе цикла Карно, что означает, что чем выше температура газа, тем выше эффективность. Это требует увеличения тяговооруженности авиационных двигателей и снижения расхода топлива, а повышение температуры на входе в турбину является ключевым. В результате исследования высокотемпературных конструкционных керамик и композитов с керамической матрицей стали одной из критических технологий для авиационных двигателей с высокой тяговооруженностью.
5. Керамические подшипники для экстремальных условий эксплуатации
Керамические подшипники широко используются в аэрокосмической промышленности, обладая такими свойствами, как жаростойкость, холодостойкость, износостойкость, коррозионная стойкость, магнитная изоляция и высокая скорость вращения. Они разработаны для суровых условий аэрокосмической промышленности, таких как регулировка, большая нагрузка, низкая температура и не смазываемые условия, и представляют собой идеальное сочетание новых материалов, технологий и конструкций.
6. Керамические инфракрасные маскировочные и стелс-материалы
Керамическая инфракрасная маскировочная стелс-технология достигается за счет использования инфракрасных функциональных керамик для уменьшения или изменения инфракрасных радиационных характеристик цели, тем самым достигая низкой обнаруживаемости. Этот материал может изменять свойства инфракрасного излучения, имеет низкую инфракрасную излучательную способность в пределах атмосферных оконных полос и смешивает инфракрасные характеристики цели с окружающим фоновым окружением в инфракрасном поле, максимизируя уменьшение инфракрасной сигнатуры цели.
Более того, использование керамических компонентов в двигателях может снижать тепловыделение и подавлять излучение инфракрасного излучения, обеспечивая инфракрасную стелс-функциональность.
7. Радиопрозрачная керамика для антенных обтекателей
Аэрокосмические проницаемые материалы (антенные обтекатели) — это многофункциональные материалы, предназначенные для обеспечения нормальной работы связи, телеметрии, зажигания, наведения и других связанных систем в суровых условиях окружающей среды и климата. Пористые нитрид кремниевые керамики имеют низкую диэлектрическую проницаемость и диэлектрические потери, низкую плотность, хорошую теплоизоляцию, подходящую прочность и длительный срок службы. Их низкий уровень поглощения радиоволн на единицу толщины по сравнению с другими керамиками делает их отличным выбором для аэрокосмических проницаемых материалов.
8. Керамические компоненты для спутниковых и ракетных систем
Для максимального увеличения срока службы спутниковых батарей необходимо использовать керамические сепараторные материалы. Керамические сепараторы изготавливаются путем вакуумного тонкого смешивания редкоземельных и других композитных материалов с последующим спеканием при высоких температурах. Они устойчивы к сильным кислотам и щелочам и не растворяются в хромовых кислотных растворах.
9. Керамические покрытия для защиты от высоких температур и окисления
Углерод-углеродные композиты благодаря своим уникальным свойствам нашли широкое применение в аэрокосмической области, например, в соплах ракетных двигателей, горловых вкладышах и тормозных дисках самолетов. Однако у них есть фатальный недостаток: они окисляются в кислородных средах выше 400°C, что приводит к быстрому снижению производительности материала. Поэтому необходимы антиоксидантные защитные меры для углерод-углеродных композитов в высокотемпературных кислородных средах. Антиоксидантные керамические покрытия с их превосходной физической и химической стабильностью предоставляют решение.
10. Керамические подложки для аэрокосмической электроники
Когда ракеты прорывают атмосферу, они испытывают значительное внешнее трение, влияющее на внутренние датчики, такие как датчики температуры и давления. Помимо значительных сил, внешне выделяется большое количество тепла. Точность датчика давления имеет решающее значение; если внутренняя плата повреждена из-за внешних сил, датчик давления становится бесполезным. Циркониевые керамические подложки с их высокой износостойкостью и прочностью на сжатие предотвращают повреждение.
11. Теплозащитные керамические покрытия для гиперзвуковых аппаратов
HfB2, ZrB2 и ZrC используются для сверхвысокотемпературных керамических покрытий. По мере развития гиперзвуковых аппаратов возрастает потребность в поверхностной антиабляционной стойкости и стойкости к атмосферной эрозии. Сверхвысокотемпературные керамики, такие как HfB2, ZrB2 и ZrC, вносят незаменимый вклад в повышение стойкости поверхности аппарата к абляции и эрозии.
12. Оптическая керамика для инфракрасных систем
Эта керамика, состоящая из оксида иттрия и оксида магния, была совместно изобретена молодыми учеными из Дальневосточного федерального университета, экспертами из Института химии Дальневосточного отделения Российской академии наук, Института монокристаллов Национальной академии наук Украины и Шанхайского института керамики Китайской академии наук. Сообщается, что этот материал может быть использован для изготовления окон инфракрасных систем для аэрокосмического оборудования, пропуская более 70% инфракрасного света ниже 6000 нм.
13. Керамическая броня для защиты авиационной техники
Учитывая акцент на выживаемости на поле боя в конструкции ударных вертолетов, керамические композитные легкие броневые материалы используются в сиденьях и критических частях вертолетов. Специальная керамика, о которой идет речь, в основном — это оксид алюминиевая керамика и карбид бора керамика.
Советский «Ми-28» смело использовал специальную керамику в качестве защитных материалов для фюзеляжа и кабины, оснащенных двумя слоями бронеплит. Определенная толщина титановой сплавной плиты располагалась между двумя слоями брони, в то время как снаружи использовалось большое количество специальной керамики.
Заключение: роль керамических материалов в будущем аэрокосмической отрасли
В итоге, керамика играет ключевую роль в различных аэрокосмических применениях благодаря своим уникальным свойствам, таким как жаропрочность, износостойкость и высокая прочность. Ключевые области применения включают авиационные двигатели, керамические подшипники, инфракрасные маскировочные стелс-материалы, антенные обтекатели, спутниковые батареи, тормозные диски самолетов, антиоксидантные покрытия для ракетных двигателей, керамические подложки, керамические покрытия для корпусов аэрокосмических аппаратов, окна инфракрасных систем и броню вертолетов. Эти передовые керамические материалы вносят значительный вклад в повышение производительности, безопасности и надежности аэрокосмического оборудования, позволяя ему работать в экстремальных условиях и выдерживать сложные испытания. Разработка и использование этих материалов будут продолжать стимулировать прогресс в аэрокосмической промышленности, прокладывая путь для будущих инноваций и прорывов.>
