הפוטנציאל של Graphene בהנדסת אוויר

Graphene, מינוף דו-ממדי של אטומי פחמן רק עבה אחד, משכה עניין אינטנסיבי על פני הנדסת אווירופייס.שילוב שלה של כוח מכני יוצא דופן, מוליכות תרמית, ותכונות חשמליות זה כמועמד ראשוני עבור הדור הבא קל, יציב, ורכיבי חלל בר קיימא. כמו התעשייה דוחפת ליעילות דלק גדולה יותר, פליטות נמוכות יותר, וחיי שירות ארוכים יותר, גרפן מציע נתיב כדי לעמוד בפני חומרים חזקים מספיק, אך ורק כדי להפחית את התכונות של אנרגיה חזקה, אך ורק כדי להפחית משמעותית, אך ורק כדי להפחית את התכונות שלה.

תכונות ייחודיות של Graphene ⁇ to Aerospace

המאפיינים יוצאי הדופן של Graphene נובעים מהמבנה הקריסטל הדו-ממדי המושלם שלה.הבנת התכונות האלה חיונית להעריך מדוע מהנדסי חלל כל כך להוטים לשלב אותו בחומרים מורכבים, ציפויים ומערכות אלקטרוניות.

כוח מכני וגמישות

Graphene הוא בערך 200 פעמים חזק יותר פלדה תוך להיות קל משקל יתר.החוזק העפיל שלה עולה 130 GPa, והוא יש את המודולולים של יאנג של בערך 1 TPa. ערכים אלה להפוך אותו לאחד החומרים החזקים ביותר אי פעם נמדד.באותו זמן, גרפן הוא גמיש להפליא, מסוגל למתוח עד 25% של אורך המקורי שלה לפני שבירה.

המונחים:

Graphene מציג מוליכות תרמית של כ-5,000 W / (mK), הרבה יותר גבוה נחושת ואלומיניום. הנכס הזה הוא בעל ערך במיוחד בתחום התעופה עבור פירוק חום במערכות אלקטרוניות, אלקטרוניקה כוח, ורכיבי מנוע. ניהול תרמי יעיל מונע חימום יתר, מקטין הזדקנות חומרית ומשפר את האמינות.

שקיפות ושקיפות

Graphene הוא מנצח חשמלי מעולה, עם ניידות אלקטרונים מעל 200 ס"מ / (Vs) זה גם משדר כ-97-98% של אור גלוי. תכונות אלה מאפשרות התערבות אלקטרומגנטית מתקדמת (EMI) מגן, חיפוש קל, ציפויים מוליכים שקוף עבור תצוגות תא הטייס וחלונות החיישן.בנוסף, גרפן יכול לשמש סוללות הדור הבא ו supercapacitors עבור כוח עזר ומחסן אנרגיה.

משקל אור ושטח גבוה

מטר רבוע אחד של גרפן שוקל רק 0.77 מיליגרם.שטח הפנים הגבוה שלה (בדרך כלל 2630 מ'2 /g) מועיל לקטאליזה, רגישה, ויישומים אחסון אנרגיה במטוס. השילוב של משקל אולטרה-נמוך וכוח ספציפי גבוה הופך את גרפן אידיאלי עבור מבני חלל קריטי משקל.

שיטות ייצור ואינטגרציה

תרגם את הבטחתו של גרפן לרכיבי חלל אמיתיים דורש שיטות ייצור חסכוניות, בעלות נמוכה.כמה טכניקות הופיעו, כל אחת עם עצירות סחר באיכות, עלות ונפח הייצור.

המונחים: CVD

CVD גדל סרטי גרפן על תת-קרקעית מתכת (חוש נחושת קדחתנית) על ידי חשיפת תת-התכטר לגזי פחמימן בטמפרטורה גבוהה. שיטה זו מייצרת גרפן באיכות גבוהה מתאים לאלקטרוניקה, סרטים מוליכים שקוף, וציפויים.עם זאת, העברת הסרט גרפן מהצמיחה substrate לרכיב הסופי נשאר אתגר, והתהליך הוא יקר מדי עבור חלקים מבניים גדולים.

מכני ונוזל-Phase Exfoliation

שיטות הפחתת גרפן לתוך שכבות גרפן באמצעות כוח מכני (למשל, ניתוח) או דחיסה כימית. נוזל-phase exfoliation מייצרת פיזור גרפן שניתן לערבב עם פולימרים, resins, או מתכות כדי ליצור nanocomposites. בעוד גרפן exfoliated יש לעתים קרובות יותר פגמים מאשר חומר CVD, זה זול יותר וקל יותר מפוזר בקלות, מה שהופך אותו עבור ייצור מתאים עבור מנפח.

המונחים:

Graphene יכול להיות משולב לתוך מרוכבים פולימרים (למשל, epoxy, פוליתר ether ketone (PEEK), סיבים פחמן מחזקים פולימרים) באמצעות טכניקות כגון פתרון ערבוב, ב פולימיזציה של השבה, או התכה תערובת.

החוקרים גם חוקרים את הצמיחה הישירה של גרפן על סיבים פחמן כדי ליצור תרכובות היברידיות חזקות יותר עבור מבנים ראשוניים מטוסים.הגבייה Graphene דגלship וחברות תעופה שונות אווירוspace הפגינו את סיבי הפחמן הגרף-enhanced כי החוצה סטנדרטיים מרוכבים ביצועים מכניים והפחתה במשקל.

יישומים ב-Commonents Aerospace

הגמישות של Graphene מאפשרת מגוון רחב של יישומים על פני קווי אוויר, מנועים, avionics ומערכות. להלן הם האזורים המבטיחים ביותר.

Composites ו- Airframe Parts

שילוב גרפן לתוך סיבי פחמן מחזק פולימרים (CFRP) יכול להפחית את משקל הרכיב על ידי 10-20% תוך שמירה או שיפור כוח. Graphene nanoparticles למלא ריקונים מיקרוסקופיים במריצה, דיכוי propagation, ולשפר את כוח סדק בין-laminar.בואינג ו- Airbus ערכו מחקר על thermoset ותרמוplastics עבור vulreatives, שפותחו על ידי glycerna-topera, לדוגמה, ירידה של חלקי חילוף חומרים תחזוקה נמוכה יותר.

מעילים וצבעים

ציפויים מבוססי Graphene מציעים עמידות קורוזיה מעולה, תכונות נגד icing, ו EMI מגן. על ידי הוספת גרפן לצבעים ראשיים או טופקואט, יצרנים יכולים להגן על עורי סגסוגת אלומיניום מ קורוזיאובוני גליוני וחשיפה מים מלוחים. Graphene אנרגיה נמוכה גם מציפוי הידרופובי וקרח, עוזר למנוע בניית קרח על כנפיים ומנועים גמישים, בנוסף למגנטיות.

חיישנים ואלקטרוניקה

הרגישות הגבוהה של Graphene למתח, טמפרטורה, ומודעות כימיות הופכת אותו אידיאלי עבור ניטור בריאות מבני (SHM) חיישנים. Graphene מבוסס זנים יכול לזהות micro-cracks, דלמנטום, ועומס שינויים בזמן אמת, המאפשר תחזוקה חיזוי. Graphene גז חיישני יכול גם לזהות דליפות דלק או מנחת אוויר תא.

מערכות ניהול

פיזור חום הוא נושא קריטי עבור avionics כוח גבוה, מערכות לייזר, ומניעה חשמלית. Graphene של מוליכות תרמית יוצאת דופן מאפשר להשתמש בו כמו התפשטות חום בלוחות מעגלים מודפסים (PCB), כממלא בצפיפות תרמיות, או כציפוי על כיור חום.

מערכות אחסון אנרגיה ועוצמה

Graphene יכול לשפר את הביצועים של סוללות מטוסים ו supercapacitors. סוללות ליתיום-יון, גרפים גרפן aodes יכול להגדיל צפיפות אנרגיה ושיעורי טעינה המטען, בעוד גרפן-enhanced קטודות יכול לשפר את חיי מחזור. עבור מטוסים היברידיים חשמליים, סוללות supercapacitors גרפן לספק התפרצויות של כוח עבור חטוף ונחיתות, עם היכולת לטעון מיליוני ללא מחזורים חשמליים ו גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף אוויריפחמיציפרגן לספק גרף אווירי אווירי אווירי אווירי אווירי אווירי אווירי אווירי אווירי עבור מטוסים גרף אווירי כוח עבור מטוסים גרף אוויריציפיציפיציפיצרגן לספק התפרצויות של כוח עבור מטוסים חשמליים גרף אווירי אווירי אווירי אווירי כוח עבור מטוסים חשמליים גרף אווירי אווירי אוויריציקוף אווירי כוח עבור מטוסים חשמליים גרף אווירי

קיימות והשפעה סביבתית

תעשיית החלל מתמודדת עם לחץ גובר על מנת להפחית את טביעת הרגל של פחמן שלה.גרפן תורם לקיימות באמצעות מנגנונים מרובים.

חיסכון בדלק מפחתת משקל

כל קילוגרם של משקל שהועבר ממטוס חוסך כ-0.10 טון של CO2 בשנה (עבור מטוס צר גוף טיפוסי) על ידי החלפת חומרים קונבנציונליים עם תרכובות גרפן-הכוח, חברות תעופה יכולות להפחית את צריכת הדלק ב-5-15% בהתאם להיקף האינטגרציה.עבור צי של 100 מטוסים, זה מתורגם לאלפים של CO2 נמנע מדי שנה.

מקור: Abundant Carbon מקורות

Graphene יכול להיות מסונתז מ פחמן דו חמצני, מתאן, או אפילו פחמן בעל biomass-derived פחמן. כמה חברות פיתחה תהליכים לייצר גרפן מחומרי פסולת, כגון שקיות פלסטיק או שאריות חקלאיות.זה מתאים לעקרונות כלכלה מעגלית ולהפחית את ההסתמכות על כריית אנרגיה אינטנסיבית ומימון מחדש של מתכות.

חיים מלאים וצמצום הפסולת

חיזוק מכני של Graphene והתנגדות קורוזיה מרחיבים את חיי השירות של רכיבי מטוסים, צמצום תדירות ההחלפה ואת הבזבוז המשויך.ציפוי מבוסס Graphene יכול להגן על מתכות מבניות משבץ עייפות, בעוד גרפן-enhanced מורכב מתנגדים לקליטת לחות ושפל UV. חלקים ארוכי טווח מתכוונים פחות חומרים נצרכים על פני חיי התפעוליים של המטוס ועלות חיים נמוכות יותר.

Recycling and End-of-Life Considerations

תרכובות Graphene יכול להיות ממוחזר בקלות רבה יותר מאשר חומרים מסורתיים רבים.לדוגמה, תרכובות גרפן-פסוקס ניתן לפרק באמצעות טיפולים כימיים קלים, המאפשר התאוששות של סיבי פחמן וגרפן.מחקר מתמשך לפתח מערכות גרף-פוחיות מיחזור לחלוטין כי לשמור על ביצועים לאחר מחזורי עיבוד מרובים.

אתגרים לאימוץ

למרות הבטחתו, יש להתגבר על מכשולים משמעותיים לפני שגרפן הופך נפוץ בייצור אווירוקל.

סקלאלה של ייצור

הפחתת כמויות גדולות של גרפן ללא פגם, עקבי בקנה מידה תעשייתי נשאר יקר. שיטות קורות חיים מניב סרטים באיכות גבוהה אבל הם איטיים ומוגבלים באזור. שיטות ייצור בקנה מידה טוב יותר אבל לעתים קרובות לייצר גרפן עם גודל קשקשים משתנה, עובי, ו oxidation רמות.תעשיית התעופה דורש אמינות גבוהה ועקביות, הדורשות סטנדרטים שליטה באיכות גבוהה.

שיקולים

גרפן גבוה לטיהור יכול לעלות מאות דולרים לגרם, הרבה מעבר לתקציב של תוכניות חלל מסחריות. גרפן נמוך יותר nanoplatelets זול יותר (10-100 / ק"ג) אבל לעתים קרובות חסר את הביצועים הדרושים לתפקידים מבניים קריטיים. הפחתה באמצעות שיטות סינתז משופרות וכלכלות של קנה מידה הוא חיוני.

בקרת איכות ומדים

הסמכה אווירית דורשת שכל חלק עומד בדרישות ביצועים קפדניות.תכונותיו של Graphene תלויות במידה רבה על שיטת הסינתזה שלה, מספר שכבות, צפיפות פגומה, ותפקודן. Batch-to-batch variability מסבך את הכישורים. יצרנים זקוקים לטכניקות אימותיות יעילות בקונטינציה (למשל, Raman spectroscopy, מיקרוסקופיה אופטית) כדי להבטיח כל אחד מהם לעמוד במפרט הנדרש לפני השימוש.

שילוב עם חומרים קיימים ותהליכים

הוספת גרפן לרכיבים קיימים או מתכות יכול להיות מאתגר מבחינה טכנית.פיזור גרוע מוביל למגומונים שפועלים כמצמי הלחץ ולא חיזוקים. Graphene עשוי גם אינטראקציה ללא תנאי עם סוכני ריפוי, פותרים, או ⁇ אלמנטים. עבור יישומי אווירו חלל, תהליך הייצור כולו - החל מטיפול חומרי גלם ועד מחזורי ריפוי סופיים - יש להתאים את עצמם להשגת רכוש חדש ללא שיפורים חדשים.

מחקר וכיוונים עתידיים

מחקר על גרפן עבור אווירופייס הוא מאיץ, עם יוזמות גלובליות מרובות ומחקרי פורצי דרך מעצבים את העתיד.

תוכניות מחקר גדולות

ספינת הדגל של האיחוד האירופי, יוזמה של מיליארד יורו, מימנה עשרות פרויקטים המתמקדים ביישומים אווירוקל, כולל גרפן-reinforceed מורכב, ניהול תרמי וטכנולוגיות סוללות בארה"ב, מרכז המחקר גלן של נאס"א ומעבדת המחקר של חיל האוויר חוקרת חומרים מבוססי גרפן עבור מבנים, מערכות הגנה תרמיות, ואנטנה קלה.

דרישות מתפתחות

במבט קדימה, גרפן יכול לאפשר יכולות אוויריות חדשות לחלוטין.לדוגמה, ציפוי חכם מבוסס גרפן יכול להתאים באופן פעיל את המאפיינים שלהם בטיסה, כגון שינוי גסמנט פני השטח עבור הפחתה תרמית של מיכלי דלק מבוהלים.ציפויים מבוססי Graphene יכול גם לשחק תפקיד בכנפיים, שבו לוחות גמישים עבור חיישנים אמיתיים עם גירוי גרפיטי, כמו גם יכול לשחק תפקיד בגיעת עור גמישים עבור חיישנים אמיתיים.

הדרך להסמכת

חומרים גרפיים גרף תחת רשויות התעופה כמו FAA ו-EASA ידרוש בדיקות נרחבות על עייפות, התנגדות אש, הגנה מפני שביתת ברק, ועמידות סביבתית.מצים מוקדמים מתמקדים בחלקים פנימיים לא קריטיים ו ירידים לפני המעבר למבנים ראשוניים. מומחי התעשייה צופים כי החלק הראשון מוסמך של גרפן-קוטן יכול להופיע על מטוסים מסחריים בתוך חמש השנים הקרובות.

מסקנה

Graphene מציעה הזדמנות טרנספורמטיבית עבור תעשיית החלל ליצור מרכיבים קלים, חזקים יותר, ובעלי קיימא יותר.שילוב ייחודי של תכונות מכניות, תרמיות וחשמליות מטפלות באתגרים הדוחקים ביותר של המגזר: יעילות דלק, עמידות, והשפעה סביבתית יותר. בעוד שמכשולים משמעותיים נשארים - ייצור יציב, ירידה במשקל, בקרת איכות - המומנטום ממאמץ המחקר הגלובלי ושותפויות תעשייתיות הוא לנוע בהתמדה ממעבדה יעילה יותר, כמו גם כדי להתגבר על חומרים סביבתיים יעילים, כמו גם על פני כדור הארץ, כמו גם כדי לעזור להתגבר על חומרים חיוניים, יעיל יותר, כמו גם על פני השטח יעיל יותר, יעיל יותר, כמו גם על ידי כוח, כמו גם על ידי כוח, עוזר יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, כוח, כוח, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, כוח אוויר יעיל יותר, יעיל יותר, כוח, כוח, יעיל של ייצור, כוח, כוח, כוח, כוח, יעיל יותר, כוח, כוח, כוח, כוח, כוח, כוח, כוח