התפקיד של Polymers מוליכים למחצה בהנדסת חלל

כל חללית שהושקה למסלול ניצבת בפני אתגר כפול: זה חייב להיות אור ככל האפשר כדי למזער את עלויות השיגור, אך מקבילים חזקים מספיק כדי לשרוד תנודות תרמיות קיצוניות.החומרים המשמשים רכיבים מבניים ממלאים תפקיד מכריע במתן דרישות אלה.במשך עשרות שנים, אלומיניום, טיטניום, ומתכות אחרות היו הבחירות של ברירת מחדל, אך מעמד חדש של חומרים – פולימרים מוליכים למחצה – במהירות במשקל בקרב מהנדסי חלל חמים אלה, הם עוברים ממערכות חלל מתוחכמות יותר ויותר, ורשתות חלליות, אך ורקמות יותר ויותר, אך ורקמות, אך ורקמות, הן ממערכות חלל מתוחכמות גדולות יותר ויותר, הן ממערכות חלליות, הן ממערכות חלליות, אך הן ממערכות חלל מתוחכמות יותר ויותר, הן ממערכות חלליות, אך הן ממערכות חלל מתוחכמות יותר ויותר, אך מעמד חדש של חומרים רדיואקטיביות, אך יותר ויותר, הן אינן משרתות, אך הן ממערכות חלליות, אך הן ממערכות חלליות מתוחכמות יותר ויותר, שעדיין לא היו פחות מתקדמות יותר ויותר, אך קבוצות של חומרים של חומרים, הן אינן מתוחכמות יותר ויותר, הן ממערכות חלל מתוחכמות יותר ויותר, הן ממערכות ניהוליות, הן אינן פועלות יותר ויותר, אך יותר ויותר, אך

פולימרים מוליכים למחצה מציעים בדיוק את השילוב הזה.על ידי שילוב של ממטריקס פולימרי (כגון פולימיד, פוליקרבונט, או פולימר פולימר נוזלי) עם ממלאים מוליכים תרמיים כמו סיבים פחמן, גרפיט, בורון ניטרד, או חלקיקים קרמיקה, יצרנים יכולים לייצר רכיבים כי dissipate חום ביעילות ללא עונש המוני של מתכת וכתוצאה מכך חומרים הם קורוזים, עמידים חשמליים יקר, כלומר, כדי להשיג את זה תכונות מתכתיכות, כדי להשיג את זה יכול להיות יעיל יותר, 000 זה יכול להיות מעורבב.

להבין את הפולימרים המשתנים

בליבתם, פולימרים מוליכים תרמיים הם מורכבים.הפולימרים הבסיס - באופן קדחתני או ריזן תרמוסט - עסקאות כמו mKcatrix, מתן כוח מכני, קשיחות ותהליךיות.על עצמו, רוב הפולימרים הם מחסנים תרמיים מצוינים (V5000) עם התאמה תרמית על סדר 0.1-0.5% WmK.

המנגנון של העברת חום במרכיבים אלה הוא הנצחה: כאשר חלקיקים ממלאים ארוזים בצפיפות, הם יוצרים רשת רציפה המאפשרת phonons (ובמקרה של ממלאי פחמן, אלקטרונים) לנסוע דרך החומר.איכות הרשת הזו תלויה בפיזור מלא, אוריינטציה, וטכניקות מורכבות של פחמן - כגון היתוך, פתרון שילוב, שילוב, או ביצרנים תרמילציה - גם כן, יש צורך בצורות מתכתיות מורכבות).

בהקשר, ⁇ אלומיניום סטנדרטיים המשמשים בחלליות יש מוליכים תרמיים סביב 120-200 W / mK, אבל הם צפופים (-2.7 גרם / ס"מ3) ו נוטה קורוזיה בסביבות מסוימות. פולימרים מוליכים למחצה יש שיניים בדרך כלל בין 1.2 ל- 2.0 גרם / 2.0 גרם / 2, כלומר ירידה במשקל של 30-50% עבור אותו נפח, בכל קילוגרם הציל ישירות לקצב נמוך יותר, 000 $ עבור כדור הארץ.

יתרונות מרכזיים בעיצוב Spacecraft

ירידה במשקל משמעותית

היתרון המיידי ביותר של מעבר מתכת פולימר מוליכים תרמי הוא חיסכון במשקל. a bracket מבני, כיור חום או המתחם שפעם שקל 200 גרם אלומיניום יכול לשקול רק 100-120 גרם כאשר עשוי פולימר מוליכים מורכב יותר. מעל עשרות רכיבים על לוויין, החיסכון המצטבר יכול להפחית את המסה הכוללת על ידי כמה קילוגרמים.זה לא רק מוריד עלויות שיגור, אלא גם מאפשר תשלום נוסף (עומסים), בתוך סוללת ענק, או הילוך נמוך מאוד, 000) עבור סוללות גדולות יותר, או יותר, 000 קטן, 000.

התנגדות קורוזיה וארוכות

Spacecraft פועל בסביבות שיכולות להיות תוקפניות מבחינה כימית - חמצן אטומי במסלול כדור הארץ נמוך, קרינה עתירי אנרגיה גבוהה, ורכיבה תרמית בין חם וקור. מתכת רגישים לקורוזיון, במיוחד בנוכחות חמצן אטומי שיכול לרסס משטחים.הפולימרים המוליכים למחצה, לעומת זאת, עמידים בפני חמצון ואינם קומדיות רבות.

ניהול עליון Thermal Management

ניהול תרמי יעיל הוא קריטי בחלל.ללא הדבקה, חום חייב להתבצע באמצעות חומרים מוצקים או קורנל משם. פולימרים מוליכים למחצה ניתן לשלב בתוך כאסאסים, דיור, ומצעים מבניים כדי להפיץ חום מאלקטרוניקה בעוצמה גבוהה כדי לקרינת רדיו ייעודית, בעוד נמוך יותר מזה של אלומיניום, הוא לעתים קרובות מספיק עבור עומסי חשמל בינוניים.

תכנון חופש וייצור יעילות

דפוס של פולימרים מוליכים תרמי מאפשר גיאומטריה מורכבת - בקירות, ערוצים פנימיים, בוסים עולים ותכונות מותאמות - זה יהיה יקר למכונה ממתכת. זה חופש עיצוב מאפשר למהנדסים לשלב מסלולים תרמיים ישירות לתוך רכיבים מבניים, צמצום מספר החלקים נפרדים ופשט את ההרכבה. לדוגמה, דיור פולימר מעובש יחיד יכול לשמש כמו ה- chassis מבני עבור אלקטרוניקה יעילה יותר, מנקה, הוא צורך מתכתי יותר.

« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «

פולימרים באופן טבעי לחבק רטטים יותר מאשר מתכות. בסביבת ההשקה, שבו עומסים רטט חמורים נפוצים, רכיבים פולימרים יכולים לספוג אנרגיה ולהקטין את הסיכון של כשלון עייפות.נכס לחות זה עוזר גם להגן על אופטיקה רגישה, מכשירים, וקשרים חשמליים ממיקרוביוטים במהלך פעולת החללית.בנוסף, את המודולים האלגנטיים הנמוכים של פולימרים (בהשוואה למתכות) להפחית את הלחץ במתחים משותפים ואמינות מבנית, שיפור הממשקים הכולל.

יישומים ספציפיים ב-Spacecraft Components

אלקטרוניקה Enclosures ושיכון

אחד השימושים הנפוצים ביותר של פולימרים מוליכים תרמי הוא במסגרים עבור אלקטרוניקה לוחית. Satellites לשאת עשרות לוחות מעגלים לתקשורת, טיפול בנתונים, בקרת גישה, עיבוד תשלום, כל לוח מייצר חום כי חייב להיות מתפזר כדי למנוע התחממות יתר על המידה. על ידי עובש של המתחם - או אפילו את מסגרת המשטח של פחמן דו-חמצני - מהתנהגות תרמית, מהנדסים יכולים ליצור נתיב ישיר מיצרנים אלקטרוניקה או מתוכנתים (מתאים) כדי לספק הגנה מגנטיים קטנים.

חומרים ממשקיים

פולימרים מוליכים למחצה משמשים גם כחומרי ממשק תרמיים (TIMs) - שכבות כי למלא את הפער בין מקור חום (כמו transistor כוח) ואת כיור חום.בניגוד לרווחים מסורתיים או כריות, טיים מבוססי פולימרנים ניתן לעצב לתוך צורות מדויקות ועוביים, להבטיח מגע עקבי.הם לא שואבים או יבשים לאורך זמן, כשל משותף עבור סיליקון רחב יותר, מונעים אחרים.

עיגולים ופאנלים

ציפויים נושאי עומס, נוקשות, ופאנל מכניס לווינים נעשים יותר ויותר מתרכובות פולימרים מוליכים תרמיים.חלקים אלה חייבים להעביר עומסים מכניים תוך ניהול חום.לדוגמה, חזייה המחזיקה גלגל תגובה חייבת לעמוד בפני רטט ו torque, והוא חייב גם למנוע את החום שנוצר על ידי נושאי הגלגל ומנוע.

שכבות בידוד ורדטור Surfaces

לא כל רכיבי החללית צריכים לנהל חום; חלקם חייבים להיות מחומם או מבודדים תרמיים. פולימרים מוליכים למחצה יכול להיות מותאם עבור יישומים ספציפיים על ידי התאמת תוכן מלא.על ידי טעינות ממלאות נמוכה, הם ניגשים ל מוליכות תרמית של פלסטיק טהור (~0.3 W / mK), מה שהופך אותם טוב דיונרים גבוהים, הם הופכים למוליכים מצוינים זה מאפשר את הבסיס לשימוש עבור כמה גלימות חומרים מטבוליים מתכתיים הם.

סוללות Casings and Power System Components

בטריקים מייצרים חום משמעותי במהלך מחזורי המטען והשחרור, והם חייבים להיות נשמרים בטווח טמפרטורה צר לביצועים ובטיחות אופטימליים.המצבי פולימר מוליכים למחצה עבור מודולים עוזרים להפיץ חום אפילו על פני חבילת הסוללה, למנוע נקודות חמות.הם גם לספק בידוד חשמלי בין תאים, צמצום הסיכון של מעגלים קצרים.

אתגרים ומגבלות

Thermal Conductivity Gap

למרות ההתקדמות, פולימרים מוליכים תרמי עדיין לא יכול להתאים את מוליכות תרמית של מתכות ביצועים גבוהים כמו נחושת (400 W / mK) או אפילו אלומיניום (200 W / mK) עבור רכיבים כי חייב לבצע מאוד גבוה חום פלוקסים (למשל, אספנים סולאריים מרוכזים או מגברי רדיו בעוצמה גבוהה), מתכת נשאר הבחירה טובה יותר.

גזים וזיהום

בוואקום של החלל, חומרים יכולים לשחרר תרכובות תנודתיות - תופעה המכונה Outgassing. תנודתיות אלה יכולות לדחוס על משטחים רגישים כמו אופטיקה, תאים סולאריים, או ציפוי בקרה תרמיים, ביצועים משפילים, בעוד פולימרים רבים מוליכים תרמיים עדיין מתנסחים כדי לקבל מזהמים נמוכים (ההנחה של גז גז גז גז גז גזי גז נורמטיבי של נאס"א:0:0, EAS5ve, לעתים קרובות, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 פשט, 000 , 000 פשט, 000 , 000 פשט, 000 , 000 פשט, 000 פשט, 000 , 000 פשטות, 000 , 000 , 000 פשטות, 000 פשטומים, 000 פשטות, 000 פשטות, 000 פשטות, 000 פשטות, 000 , 000 פשטות, 000 פשטות, 000 פשטות, 000 פשטות, 000 פשט

ביצועים מכניים תחת Cycling

חווית חלל נעה בין -150 מעלות צלזיוס בצל ל- +120 מעלות צלזיוס באור השמש (ואפילו יותר טווחים קיצוניים עבור בדיקות חלל עמוק) המקדם של התרחבות תרמית (CTE) של פולימרים הוא בדרך כלל גבוה יותר מאשר מתכות, המוביל ללחצים לא מתאימים פוטנציאליים כאשר מחובר רכיבי מתכת.מחץ תרמיים יכול לגרום עייפות, מיקרו-קאקינג, או דלמנטום בחלקים אלה של CTE נשאר תחת לחץ דם ארוך.

ייצור עקביות ועלויות

הפחתת תרכובות פולימרים מוליכים תרמי עם תכונות עקביות אינה טריוויאלי.ריאציות בפיזור מלא, אוריינטציה, התפלגות גודל חלקיקים יכול לגרום הבדלים אצווה-to-batch ב מוליכות תרמית.עבור יישומי חלל קריטיים, כל אצווה חייב להיבדק. יתר על כן, העלות של ממלאים מיוחדים (במיוחד צינורות פחמן או צינורות בורון) יכול להיות גבוה בעוד רכיבים רבים עדיין זול יותר מאשר חלקי מתכת, כאשר הם יכולים להיות ירידה במשקל הכולל.

מחקר ופיתוח עתידי

ננוקום ו-Moders Advanced Fillers

מעבדות מחקר הן חקרו את הממלאים הבאים שיכולים להגביר באופן דרמטי את ההתנהלות התרמית. Graphene nanoplatelets, צינורות פחמן שנותרו (CNTs), ו-Bron nitride ננוtubes (BNNTs) מציעים התנהגות פנימית גבוהה מאוד ויכולים ליצור רשתות לחיקוי ברמות טעינה נמוכות יותר, שמירה על התכונות המכאניות של פולימר.

3D הדפסה של חלקי פולימר מוליכים

ייצור אדקטי (3D הדפסה) עם סדקים מוליים הוא מגמה מתפתחת. Fuse deposition Modeling (FDM) מאפשר התאמה אישית, גיאוגרפיה מורכבת להיות מיוצר על הביקוש - אידיאלי עבור רכיבי לוויין אחד או prototyping מהיר. New filaments המכילים סיבי פחמן או גרפיט הופכים זמינים, עם מוליכות תרמיות של 5 / mK משולב עם הדפסה תלת-ממדית לחלוטין (Fal) ו-DR.

שילוב עם חומרים חכמים וחיישנים

חלליות עתידיות עלולות להטביע חיישני טמפרטורה, תנורים, או אפילו ערוצים מיקרו-קלידיים ישירות לתוך מרכיבים פולימרים מבניים.פולימרים מוליכים למחצה מוליכים למחצה תואמים באופן טבעי עם שילוב כזה, משום שהם יכולים להיות משועבדים או מודפסים לצד עקבות מוליכים לחישה.פיתוח זה יאפשר ניטור תרמי החלפת חומרים ובקרת פעילה ללא הוספת חיווי או חומרה נפרדים.

מרחב עמוק וסביבתיות קיצוניות

כמשימות למקד את הירח, מאדים ומעבר לכך, חומרים יצטרכו לעמוד ברמות קרינה גבוהות, שחיקה אבק ותנודות טמפרטורה קיצוניות.פולימרים המוליכים למחצה נבדקים לשימוש על אדמה הירחית ו-rovers, שם נדרשים מקרי רדיו קלים ודיונים עמידים באבק מקומיים (מתקני פולימרים אירופיים) באמצעות משאבים ממריאים ממריאים- 19) לתפקודי מים זורמים (כלומר, 3D) ל-160 יום).

מסקנה

פולימרים מוליכים למחצה עברו מעבר למעבדה והם עכשיו טסים על חלליות תפעוליות.שילוב משקל בהיר, עמידות קורוזיה, גמישות עיצוב, ו מוליכות תרמית מתאימה הופכת אותם כלי רב עוצמה עבור מהנדסים אשר חייבים לאזן ביצועים, המונים, ועלות. בעוד מתכות יישארו חיוניות עבור יישומים עתירי מים גבוהים, טווח המשימות שבו פולימרים יכולים לשמש כמרכיבים מבניים הוא במהירות מקוביות קטנות עבור לוחות קרקעיים אלה, המאפשרים יותר, המאפשרים מסוגלות יותר, מסוגלות יותר, לוחות קרקעיים, מסוגלות יותר, כך גם לוחות קרקעיים, יכול לשמש יותר, יכול לשמש יותר, לוחות קרקעיים, כך גם לוחות קרקעיים, יכול לשמש יותר, כך גם לוחות קרקעיים יותר, כך יותר, יכול לשמש יותר, כך גם לוחות קרקעיים יותר, יכול לשמש יותר, יכול לשמש יותר, יכול לשמש יותר, כך גם לוחות קרקעיים, כך גם לוחות קרקעיים, כך גם לוחות קרקעיים, כך גם יותר, כך גם לוחות קרקעיים יותר, יותר, כך גם לוחות קרקעיים, כך גם לוחות קרקעיים יותר, כך גם לוחות קרקעיים, כך גם לוחות קרקעיים, יכול לשמש רכיבים קלים יותר, כך גם לוחות קרקעיים, יכול לשמש יותר, יכול לשמש רכיבים קלים יותר, כך גם לוחות השמש.

האתגרים - גבולות התנהגותיים מתמשכים, ייצור הגזים, CTE לא תואמים, ו עקביות הייצור - מטופלים על ידי מחקר מתמשך.כפי ש- nanocomposite ממלאים בוגרים ותוספים הופך לפרקטיקה סטנדרטית, תקרת הביצועים של פולימרים מוליכים תמשיך לעלות.עבור סוכנויות חלל וחברות פרטיות כאחד, השקעה בחומרים המודרניים הללו אינה רק אופציה אלא גם התפתחותית.