Table of Contents
وكانت الدروع الحرارية عناصر حاسمة في الفضاء الجوي والسيارات والنظم الصناعية، وهي مكلفة بحماية الهياكل والشاغلات من البيئات الحرارية القصوى، وقد اعتمد المهندسون على المداخن، والسكك الحديدية، والمركبات القائمة على الكربون، لإدارة درجات الحرارة العائدة، والحرارة، وظروف الفرن، غير أن الدافع إلى إيجاد حلول جديدة أكثر تساهلا ومرونة وفعالية من حيث التكلفة
ما هو البوليمر المتقدم؟
والبوليمرات المتقدمة هي مواد اصطناعية عالية الأداء مصممة خصيصاً لتحمل الظروف القصوى مع الحفاظ على الممتلكات المادية المستصوبة، وعلى عكس البلاستيك السلعي المستخدم في التغليف أو السلع الاستهلاكية، يتم هندسة البوليمرات المتقدمة على مستوى الجزيئي لمقاومة التدهور الحراري والإجهاد الميكانيكي والهجوم الكيميائي، وتشمل الأمثلة المشتركة البوليميدوس (مثل كابتون) وأجهزة البوليثيريكيتون (مثابر)
ويكمن مفتاح أداءها في هيكلها الكيميائي، فالحلقات الحرارية ومجموعات التقلبات الحرارية في العمود الفقري للبوليمر تُمنح التصلب والارتفاع في الطاقات النقابية، بينما تزيد العوامل المترابطة والمشغلات المُعززة من تعزيز الخواص الحرارية والميكانيكية، ويمكن أيضاً أن تُدمج البوليمرات المتقدمة مع السيراميات أو ألياف الكربون أو الجسيمات النانوية لخلق خصائص مصممة خصيصاً.
لماذا البوليمرات لدروع اللحوم؟
كما أن المواد التقليدية للدروع الحرارية مثل البلاط الخزفي، والمركبات الكربونية الكربونية، والمعادن الكهرمائية، توفر مقاومة حرارية ممتازة ولكنها تأتي مع أوجه قصور كبيرة، وهي مائلة ومعرضة للكسر تحت الصدمة الميكانيكية أو الحرارية، والمعادن ثقيلة ومتسقة، وتتطلب في كثير من الأحيان عزلاً إضافياً، وتعالج البوليمرات المتقدمة هذه القيود بتوفير مرونة في العمليات المتأصلة، وقلة.
أهم مزايا الدروع المتطورة ذات القاعدة البوليمرية
المرونة والقابلية للتطابق
ومن أهم الفوائد القدرة على الامتثال للأسطح غير النظامية، فخلافا لأطر السيرامي الصلبة التي تتطلب الذقن الدقيق وسد الفجوة على نطاق واسع، يمكن اختلاق الدروع القائمة على تعدد الزواحف باعتبارها أوراق مرنة أو تطبيقا كمعاطف، وهذا المرونة يقلل من تعقيد التركيب ويتيح استخدام الدروع الحرارية على هياكل محفورة أو دينامية مثل نولزات الصواريخ، والرموزات البلاستيكية، ونظم العادم الآلي.
تصميم الوزن الخفيف
وتعاني البوليمرات عادة من كثافة تتراوح بين 1 و2 و0 غ/كتار3، مقارنة بالمعادن مثل التيتانيوم (4.5 غ/سم3) أو الإيكونيل (8.2 غ/سم3)، وفي التطبيقات الحساسة من حيث الوزن مثل المركبات الفضائية والطائرات، يترجم كل كيلوغرامات منقذة إلى انخفاض تكاليف الإطلاق أو إلى تحسين كفاءة الوقود، كما يمكن للمركبات البوليمرية أن تقلل وزن النظام عموما عن طريق إزالة الحاجة إلى طبقة منفصلة
الدوام والمقاومة البيئية
ويقاوم البوليمرات المتقدمة التآكل من الوقود والسوائل الهيدروليكية والرطوبة الجوية، خلافا للمعادن التي قد تُسمّى بسرعة عند درجات الحرارة العالية، كما أنها تظهر مقاومة شديدة الدهون ويمكن أن تنجو من التقلب الحراري المتكرر دون كسر، فعلى سبيل المثال، تحتفظ البوليميديات بخواص ميكانيكية بعد آلاف الدورات بين درجات الحرارة المبردة و400 درجة مئوية.
التصنيع الضار بالتكاليف
وعادة ما تنطوي عملية تجهيز البوليمرات المتقدمة على درجات حرارة أقل )٣٠٠-٤٠٠ درجة مئوية( مقارنة بالسيراميات المتقطعة )فوق ١٥٠٠ درجة مئوية( أو الفلزات الناشئة، وتفضيل طرق مثل الحرق المضغي، وقطع الحقن، والتصنيع الإضافي )الطباعة ٣ دال(، ووضع أشرطة آلية إلى إتاحة الانتاج السريع للتشكيلات المعقدة بأقل قدر من النفايات، مما يقلل من تكاليف المواد والعمال الحرارية، مما يجعلها من الناحية الاقتصادية، مثل استخدامات الدروع ذات الدروع الصناعية،
أنواع البوليمرات المتقدمة المستخدمة في دروع اللحوم
Polyimides
فالأفلام البوليفية، مثل كابتون وأوبليكس، هي من بين أكثر البوليمرات التي تستخدم في درجة الحرارة العالية، وهي تظهر استقرارا حراريا استثنائيا (الاستعمال المستمر حتى 400 درجة مئوية)، والتدفقات المنخفضة، والعزل الكهربائي الممتاز، وفي الدروع الحرارية، كثيرا ما تُهيمن أفلام البوليميد على المعاطف الألومنيومية أو الخزفية للتأمل، وتستخدم أيضا كقاذفات الصواريخ.
بولي هناك إثيركيتون
ونقطة الانصهار هي درجة حرارة شبه خطية تبلغ حوالي 343 درجة مئوية ودرجة حرارة الخدمة المستمرة حتى 260 درجة مئوية، وهي توفر قوة ميكانيكية بارزة ومقاومة كيميائية وخواص الارتداء، وتستخدم مركبات مثبتة بمركبات مثبتة بمركبات الكربون معززة بألياف الكربون في الدروع الحرارية ومكونات المحرك التي تحدث فيها حمولات حرارية عالية.
الذرّات الحرارية
وتجمع معدات الاتصال بالطرق البرية المطاطية مع القدرة على معالجة الحرارة، ويمكن أن تتحمل أجهزة المعالجة المتخصصة التي تصاغ بمثبتات الحرارة ومثبطات اللهب التعرض القصير الأجل حتى 300 درجة مئوية. وتستخدم هذه الأجهزة كأجهزة محكمة مرنة وملفات للثغرات في نظم الحماية الحرارية لمركبات العودة إلى المركب، مما يغذي التشوهات الهيكلية دون فقدان السلامة.
بوليبينزيميدازول (PBI)
PBI هو جهاز متعدد الأداء عالي المستوى مع استقرار حراري استثنائي، ويحتفظ بخواص ميكانيكية تصل إلى 500 درجة مئوية دون أن يذوب، ويحتوي على مؤشر للأكسجين يقل عن 40 في المائة، مما يعني أنه لا يدعم الاحتراق في الهواء العادي، والألياف PBI ملوثة بنسيج للدروع الحرارية المرنة، والملابس الواقية، وأغطية العزل.
المواد النانوية والمهجورة
ومن أجل زيادة تعزيز الأداء، تقترن البوليمرات المتقدمة بمواد نانوية مثل نانووب الكربون وأكسيد الغرافيني وأكسيد النيتريد الخبيث، وتظهر هذه الندوات النانوية قدرة محسنة على السير الحراري، وقوة ميكانيكية، ومقاومة التراكم، مثلا، يمكن أن يؤدي إضافة نسبة تتراوح بين ١ و٥ في المائة من النيترات إلى تآكل البوليميري إلى زيادة حرارة ١٠٠.
آليات حماية الحرارة: مبلّغ ضدّه
وتتم عمليات الدروع الحرارية المتقدمة بواسطة آليتين رئيسيتين هما: التبريد التراكمي والعزل القابل للتداول، والدروع التراكمية، المشتركة في أكبسولات الصواريخ ونواحف الصواريخ، التي تخضع للتحلل الحراري والشحن الخاضعين للرقابة، وتحلل مصفوفة البوليمرات المستقرة، والغازات المتسربة التي تحمل الحرارة وتخلق طبقة كربونية واقية تثبط الهيكل المتقدم.
وبالنسبة للتطبيقات القابلة للتداول، مثل نظام الحماية الحرارية للمكوك الفضائي، والعزل السطحي المرن القابل للعادة الاستخدام، يستخدم البوليمر المختلط الذي يمكن أن يصمد أمام دورات متعددة للعودة إلى المكوك، وتعتمد التصميمات الحديثة القابلة لإعادة الاستخدام على رغاوي البوليميد أو على سمات عسل PEK التي تحافظ على شكلها وأدائها على العديد من الدورات الحرارية.
تطوير واختبار دروع البطيخ ذات القاعدة البوليمرية
تركيب المواد وتركيبها
ويبدأ تطوير درع حراري ناجح متعدد المرايا بتوليف متعدد المرايا، ويضع الباحثون الوزن الجزيئي والكثافة المتقاطعة، وإضافة المشغلات لتحقيق التوازن المنشود من المرونة والمقاومة الحرارية والقدرة على التجهيز، ويسمح نقل البوليدلائل ومسح الأوتوماتيكات بطرائق مشتركة لتلفيق مكونات كبيرة.
الاختبار الحراري
ومن الضروري إجراء اختبارات سريعة تحت ظروف عالية الحرارة، وتشمل الاختبارات القياسية تحليل التذبذب الحراري، والمسح المتفاوت للحساب الحراري، واختبار الحرق بواسطة أكسيد النيتروز (ASTM E285).
الاختبارات الميكانيكية والبيئية
وبالإضافة إلى الأداء الحراري، يجب أن تتحمل الدروع الحرارية حمولات ميكانيكية، وهزات، وتعرض بيئي، وتجري الاختبارات المرنة، واختبارات الدهون، والتقلبات البكتيرية، وتظهر البوليمرات المتقدمة عموماً تسامحاً جيداً في الأضرار؛ فعلى سبيل المثال، تظهر المركبات المتعددة الكيمياء قوة عالية فيما بين الأنقاض ولا تنفجر بسهولة مقارنة بالأكوام الإشعاعية المرهوبة.
دراسة حالة: الدروع المركبة الفضائية
ومن الأمثلة البارزة على ذلك استخدام مجمّع الكربون المفقود من الفينوليكي على مختبر علوم المريخ التابع للناسا وبعثات ستاردوست، في حين أن تكنولوجيا المعلومات والاتصالات تستخدم راتنجاً ثاقياً (بوليمر حراري)، فإن التطورات الجديدة تتضمن البوليميريدات المتقدمة والبيك من أجل تحسين المرونة وخفض التكلفة.
التطبيقات خارج الفضاء الجوي
الدروع ذات الحرارة الثقيلة
وفي المركبات الحديثة، تحمي الدروع الحرارية مكونات مثل مضاعفات العادم، والمحولات الحفازة، وأجهزة التربو، وتزيد الدروع المعدنية التقليدية وزنها ويمكن أن تهز أو تتآكل، كما أن الدروع المتقدمة التي تُصنع من البوليميد المُلَق بالزجاج أو مركبات التكتل الحراري، توفر بدائل مرنة وخفيفة الوزن، وهي تُعدّل في شكلها وتُدرج فيها مقاطع تجميع مركب مركب مركب مركبة متكاملة.
التطبيقات الصناعية والطاقة
وتحتاج الأفران الصناعية والمفاعلات الكيميائية ومعدات توليد الطاقة إلى حماية حرارية يمكن أن تصمد في البيئات القاسية، وتطبق معاطف البوليميد والبي إيك على سطح المعادن كطبقات حاجز ضد الغازات الساخنة ووسائط الإعلام التآكلية، وفي محطات حرارية الملح الشمسية المتحركة، تُضمّن أجهزة التكتل المتطورة خزانات والأنابيب، مما يقلل من فقدان الحرارة، وتسمح لها مرونة هذه المواد باستيعاب المكسير.
الإلكترونيات وإدارة البطارية الحرارية
ونظراً لأن المركبات الكهربائية والإلكترونيات المحمولة تتطلب كثافة طاقة أعلى، فإن عبوات البطاريات تولد حرارة كبيرة أثناء الشحن السريع أو التصريف، ويمكن وضع دروع حرارية مرنة من البوليمرات، مثل أفلام البوليميد التي تحتوي على مواد تغيير المرحلة المدمجة، بين خلايا لمنع المجرى الحراري، وهذه الدروع رقيقة وخفيفة وقابلة للتطابق، مما يجعلها مثالية بالنسبة للكميات الجيوبات الضيقة.
التحديات والحدود
وعلى الرغم من مزاياها، تواجه البوليمرات المتقدمة عدة تحديات، إذ أن معظم البوليمرات تقل درجات حرارة الاستخدام القصوى عن درجات الحرام (تتتراوح بين 600 درجة مئوية باستمرار، وإن كانت بعض التراكميات تحتمل ارتفاع التوابل)، ويمكن أن يؤدي الاختراق عند درجات الحرارة العالية إلى تدهور الأداء، وبالتالي قد يكون من الضروري التغليف أو الغلاف الجوي غير الصالح للزراعة، كما أن التطاير في بيئات المكنة يشكل خطراً على التلوث لدى أجهزة التصريف ذات الحساسية في التطبيقات الفضائية.
التوقعات المستقبلية والابتكارات الناشئة
بوليمرات الصحة الذاتية
ومن بين المناطق التي تقطع فيها الحركة، البوليمرات التي يمكن أن تصلح المايكروكرات التي يسببها التدوير الحراري أو التأثير، والتي تحتوي على كبائن مجهرية أو شبكات مناظير مليئة بالعاملات الشفاء، وعندما تُطلق الشقوقات، يُطلق سراح الوكيل ويُستعان بتعددات، ويُعيد بناء السلامة، وبالنسبة للدروع الحرارية، يمكن أن تؤدي هذه القدرة على التلقين الذاتي إلى توسيع نطاق الحياة في مجال الصيانة، ولا سيما في الفضاء القابل لإعادة الاستخدام.
السلف النانوكومليكية
وتتعهد الندوات التي تضم مادة الغرافيين أو المكسينات أو نواة النيتريد الخالص بدفع الحدود الحرارية إلى أعلى، فعلى سبيل المثال، أظهرت أفلام أكسيد البوليميد - الغرافيين القدرة على السير الحرارية حتى 10 دبليو/م ك، مع الحفاظ على المرونة، ويمكن أن توفر هذه المواد في الوقت نفسه العزلة والتدفئة الحرارية، التي تعتبر قيمة لحماية الإلكترونيات.
الصناعة التحويلية والتصميم الرقمي
ويتيح الطباعة بواسطة البوليمرات العالية الحرارة (مثلاً، باستخدام نماذج الترسبات المزودة بأجهزة الصمامات) الدروع الحرارية ذات الشكل العادم مع قنوات التبريد الداخلي المعقدة أو الخلاعة المصنفة، وتتيح أدوات التصميم الرقمية استخدام نظام الحماية الحراري على الوجه الأمثل لموجزات حرارة معينة، مما يقلل من الوزن واستخدام المواد، وتقوم شركات مثل نظامي التبريد المتعدد الأشكال والتجهيزات المركبة
التكامل مع أجهزة الاستشعار الذكية
وتوفر أجهزة الاستشعار الضوئية للفييض أو أجهزة الترميز داخل الدروع الحرارية المتعددة المراحيض رصدا فوريا للتدهور الحراري، ويمكن لهذه الدروع " الذكية " أن توفر بيانات عن معدل التلازم، ومستويات درجات الحرارة، والصحة الهيكلية، وتحسين السلامة، وتمكين الصيانة المتوقعة.
خاتمة
فالبوليمرات المتقدمة قد حولت تصميم وأداة الدروع الحرارية عبر صناعات متعددة، إذ إن مزيجها الفريد من المرونة والوزن الخفيف والثبات والصنع الفعال من حيث التكلفة يجعلها لا غنى عنها لنظم الحماية الحرارية الحديثة، ومن مركبات إعادة المركبات الفضائية إلى مجموعات البطاريات الكهربائية، فإن الدروع القائمة على البوليمرات تتيح قدرا أكبر من الكفاءة والسلامة وحرية التصميم، وفي حين أن التحديات مثل حدود درجات الحرارة والمقاومة البيئية لا تزال قائمة، فإن البحوث الجارية تتغلب على إمكانيات الازدياد.