در مهندسی مدرن، تعداد کمی از اجزای آن به عنوان سیستم های حفاظت حرارتی نادیده گرفته می شوند - خط اصلی دفاع در برابر دمای شدید - به طور سنتی به عنوان لایه های بزرگ و تک منظوره طراحی شده اند که تنها در عایق بندی سیستم های حفاظت از مواد و مهندسی ساختاری، ارائه می دهد تا به یک کلاس جدید از سپرهای حرارتی چند منظوره که نه تنها در آخرین بار حرارت یکپارچه، بلکه وعده داده شده است، ارائه راه حل های انرژی و مهندسی چند منظوره خود را از راه حل های چند منظوره.

زمینه و اهمیت

سپرهای حرارتی متعارف بر روی یک اصل ساده عمل می کنند: آنها انرژی حرارتی شدید را جذب می کنند یا پراکنده می کنند تا از ساختارهای اساسی محافظت کنند، برای دهه ها، مواد بی پروا – مانند phenolic deregnaated کربن، و به طور مشابه به عنوان استاندارد تقویت کننده طلا برای وسایل نقلیه مجدد، سوزاندن عالی برای حمل گرما، در حالی که موثر، این سپرها سنگین هستند، و نیاز به عایق های مولکولی دارند، به طور مشابه استفاده از سیستم های پشتیبانی از فضای جداگانه.

در هوافضا، هر کیلوگرم ذخیره شده به ظرفیت حمل و نقل بالاتر یا مدت زمان طولانی تر ماموریت ترجمه می شود.در اتومبیل، بسته های باتری الکتریکی نیاز به مهار حرارتی و محافظت از تصادف دارند.در انرژی، راکتورهای همجوش به اجزایی نیاز دارند که در هنگام پشتیبانی از بارهای شناور چند منظوره، از طریق ترکیب دو تابع به یک واحد کامپوزیت، ساده سازی و بهبود کارایی کلی سیستم، از این چالش ها حمایت می کنند.

نوآوری های اخیر در چند منظوره چند منظوره سپر حرارتی

پیشرفته مواد کامپوزیت

کامپوزیت های مدرن در قلب این پیشرفت ها هستند. کامپوزیت های مکانیکی کربن – فیبر کربن تقویت شده در یک ماتریس کربن – قدرت در دما بیش از ۳۰۰۰ درجه سانتی گراد در حالی که ارائه شرکت های هدایت حرارتی کم <.org> .namission/polalo/titrepidedrleding>

طرح های Gradient-composite عملکرد را بیشتر اصلاح می کنند، با ترکیب مختلف از یک صورت فشرده و قوی بیرونی به یک هسته داخلی، عایق بندی شده، مهندسان می توانند انتقال گرما، توزیع استرس و ناسازگاری گسترش حرارتی را تنظیم کنند. چنین مواد درجه بندی شده عملکردی (FGMs) در حال حاضر در سپرهای حرارتی برای کپسول های پیشرفته تر مانند FLT:0SpaceX [F:1LT] استفاده می شوند.

طراحی های لایه و قراردادی

فراتر از کامپوزیت های تکلیتیک، معماری لایه ای اجازه می دهد هر یک از اقشار در نقش خود برتری داشته باشد.یک پشته معمولی چند منظوره ممکن است شامل: لایه ای از تخریب بیرونی که گرما را می سازد و مقاومت در برابر فرسایش؛ یک لایه تحمل کننده متوسط ساخته شده از فلز سبک یا کامپوزیت؛ و یک لایه عایق داخلی که انتقال گرما به بستر را به حداقل می رساند، این سیستم ها می تواند به عنوان پانل های سفارشی سازی و ساده سازی، بازسازی پنل های سفارشی سازی، و ساده سازی، تنظیم کننده.

PICA (Phenolic Impregnated Carbon Ablator) کاشی های مورد استفاده توسط فضاپیمای Orion ناسا یک نمونه ماژولار است: آنها به طور مستقیم به پوست ساختاری ماژول خدمه پیوند داده می شوند، که به عنوان سپر حرارتی و بخشی از سطح آئرودینامیک استفاده می شود.

تولید افزودنی در Heat Shield Production

چاپ 3D باز کردن هندسه های حرارتی غیر ممکن است با روش های سنتی ایجاد کند لیزر انتخابی از پودر سرامیک می تواند ساختارهای متخلخل سلولی تولید کند که ضخامت خاصی را با عایق حرارتی بالا ترکیب می کنند. Binder] [F:3] کاربید سیلیکون قادر به خنک سازی پیچیده است که به طور مستقیم از طریق لایه های حرارتی استفاده می کند.

Smart and Adaptive Heat Shields

مرز بعدی شامل سنسورها و مواد تطبیقی است.ترموها جاسازی شده یا سنسورهای فیبر نوری می توانند دما، فشار و میزان نوسان را در زمان واقعی نظارت کنند، تغذیه داده ها به رایانه های پرواز برای کنترل فعال خود، آلیاژهای قارچی (به عنوان مثال، NiTi) می تواند مانع از تبخیر یک جریانودینامیک یا کانال های خنک کننده فعال شود - که به طور قابل توجهی پر شده است.

برنامه ها و مزایای

فضا- Aerospace

وسایل نقلیه ورودی، موشک های مافوق صوت و فضاپیما همه خواستار حفاظت حرارتی شدید هستند.[۵] سپرهای چند منظوره جرم ساختاری را ۳۰ تا ۵۰ درصد در مقایسه با عایق جداگانه و سیستم های بارگیری بار، کاهش می دهند (به عنوان مثال، Starship توسط اسپیس ایکس از یک پوست با یک سپر حرارتی خارجی استفاده می کند که به عنوان سیستم ورودی اولیه خودرو عمل می کند (به طور مشابه کنترل کربن).

ماشین خودرو

در وسایل نقلیه الکتریکی، بسته های باتری در طول شارژ سریع و بارهای بالا حرارت قابل توجهی تولید می کنند. [سپرهای حرارتی چند منظوره می توانند به طور همزمان کابین را از گرما باتری دفع کنند، محفظه باتری را برای کاهش قابل اعتماد بودن و مدیریت انتشار حرارتی تقویت کنند. زیر بدن محافظت می کند از کامپوزیت های آلومینیومی-ceramic محافظت می کنند در حالی که دو برابر آن به عنوان تولید کنندگان سخت افزاری تیتانیوم و سیستم های فیبر بیش از حد سخت افزاری استفاده می کنند.

انرژی انرژی

راکتورهای Fusion مانند ITER [FLT 1] نیاز به اجزایی دارند که در برابر بمباران نوترونی و گرمای شدید مقاومت می کنند در حالی که حفظ یکپارچگی خلاء. اجزای چند منظوره پلاسما (PFC) ساخته شده از کامپوزیت های کربن پوشیده از تنگستن به عنوان سپر حرارتی و پشتیبانی ساختاری از مخزن خلاء خدمت می کنند.

برنامه های صنعتی

پوشش های پارچه در فولادسازی، تولید شیشه و پردازش شیمیایی از سپرهای حرارتی یکپارچه که همچنین از آجرهای رفلکس یا نقاله پشتیبانی می کنند، بهره مند می شوند. کامپوزیت های فلزی سرامیکی منظم اجازه جایگزینی سریع بدون از بین بردن کل مجموعه ها، کاهش خرابی.

مزایای یک نگاه

  • کاهش گسترده: ترکیب توابع کاهش وزن سیستم تا 40٪، بحرانی برای عملکرد.
  • ساخت و ساز تقویت شده است؛ [FLT 1] قطعات کمتر به معنی زنجیره های عرضه کوتاه تر و هزینه های مونتاژ پایین تر است.
  • [[۱] [۱۰] ایمنی بهبود یافته: [[۱۰] تقویت ساختاری مانع از تخریب فاجعه بار لایه های عایق می شود.
  • زندگی مطلوب: مقاومت در برابر دوچرخه سواری حرارتی و خستگی مکانیکی در مقایسه با سیستم های کمپوست.
  • آزادی طراحی: زمین لرزه های قراردادی و چاپی، سپرهای بهینه شده را که مطابق با سطوح پیچیده است، فعال می کنند.

آینده چشم انداز آینده

مسیر سپرهای حرارتی چند منظوره به سمت ادغام سیستم کامل است. ابزار طراحی ماشین-یادگیری میکروساختارهای بهینه شده را کشف می کند که تنظیم تعادل، قدرت و وزن را متعادل می کند. مواد مانند :MAX فاز [FLT 1 ] (مخلاصه های پایدار ماخ) هماهنگی حرارتی سرامیک را با قابلیت ساز فلزی و آسیب ایده آل برای مقاومت مجدد حمل و نقل هوایی - هر دو شرایط حمل و نقل هوایی + نیروی هوایی - ترکیب می کنند.

در این زمینه به |biomimetic طرح های الهام گرفته شده توسط ساختار متخلخل، لایه ای از سوسک elytra و منقارهای پرنده - ممکن است کامپوزیت های فوق العاده دقیق و سبک در عین حال، فشار برای اکتشافات فضایی پیچیده [F3:3 نیاز به سپر گرما دارد که می تواند سالها طول بکشد و بدون از دست دادن راه حل های ساده، فقط اثرات مهندسی چند منظوره هستند.

از آنجایی که خط بین ساختار و حفاظت حرارتی همچنان تار می شود، مهندسان و دانشمندان مواد باید با دقت همکاری کنند تا مفاهیم جدید را از طریق تست دقیق و صلاحیت معتبر کنند. - یک نسل از وسایل نقلیه و سیستم هایی که سبک تر، قوی تر و امن تر هستند، در حال حاضر در آزمایشگاه ها شکل می گیرند و امکانات آزمایش در سراسر جهان است.