התפקיד של Aramid סיבים בפיתוח חומרים בידוד אווירי הדור הבא

כלי רכב מודרניים פועלים בחלק מהסביבות הקיצוניות ביותר על פני כדור הארץ ומעבר לכך, מהחום המתפתל של החזרה לקור ה Cryogenic של החלל, קיצוניות טמפרטורה, רטט וחשיפה כימית דורשות מערכות בידוד הן משקל והן חזקות.

מה הם סיבים ramid?

סיבים ארמיים הם פולימידים סינתטיים שרשרת ארוכה שבו לפחות 85% של קישורי amide מחוברים ישירות לשתי טבעות ארומטיות. זה עמוד השדרה ארומטי נותן להם יציבות תרמית יוצאת דופן ותכונות מכניות.

  • (ב) (בקיצור:0) ,(KevlarphFLT:1) (para-aramid) - ידוע בזכות חוזקו הרב ונוירולוס שלו, המשמש כריון גוף, צמיגים, ותרכובות אוויריות.
  • (ב) [ה]ה' [ה'] [ה']'[דרוש מקור]] [ב], [התחילה]], [התערו] [ב[[המאה ה-20], ו[[המאה ה-20]].

סיבים נוספים ידועים כוללים Technora (para-aramid עם התנגדות כימית משופרת) ו Twaron (similar to Kevlar) סיבים אלה מיוצרים באמצעות פתרון מסתובב, שבו פתרון פולימר גבישי נוזלי הוא מופץ באמצעות ספיננרים וקונגורד, ולאחר מכן מתוח עד או להקל על השרשראות המולקולריות.

התפתחות היסטורית

סיבי ארמייד היו ממוסחרים לראשונה על ידי DuPont בשנות ה-60 (Nomex) ו -70 (Kevlar) ההקדמה שלהם מהפכה הגנה אישית ובטיחות תעשייתית. in aerospace, aramids שימשו בתחילה רכיבים מבניים מורכבים והגנה על הבליסטי.ב .ב .ב .ב .המבוא שלהם התרחב לדלקת תרמית ואקוסטית, במיוחד כתקנות לשריפה בטיחות והפחתה במשקל הידרדרו לתקני טיסה (A) נוקשים (A) מכונים סטנדרטים פנימיים של חומרים מונעים על בסיס תקנים פנימיים).

נכסים שהופכים את Aramid סיבים אידיאליים עבור בידוד אווירי

התאמתם של סיבים ארמונים ל בידוד אווירי מקורה מארבע תכונות מפתח, שכל אחד מהם יכול להיות מותאם לדרישות ספציפיות של משימה.

התנגדות גבוהה

סיבים ארמיים שומרים על שלמותם המבנית בטמפרטורות הרבה מעבר לאלה הנסבלים על ידי סיבים אורגניים נפוצים. Nomex, למשל, לא נמס או טפטוף ומתחילים לכריז רק מעל 370 מעלות צלזיוס (700 °F) Kevlar יכול לעמוד בטמפרטורות שירות רציף סביב 180 מעלות צלזיוס (356 ° F) וחשיפה לטווח קצר ל-550 מעלות צלזיוס) תחת אווירה תרמית זו היא קרובה ל- 200 ליטרים, כאשר לא יכול לטבוליטמין חומרים מסוכנים.

משקל אור והכחשה

משקל הוא פרמיה ב-Aerospace.Aramid סיבים יש משקעים בדרך כלל בין 1.44 גרם / 3 (Kevlar) ו 1.38 g / ס"מ3 ( nomex) בעוד לא אור כמו כמה קצף פולימרים, כוח גבוה שלהם מאפשר שכבות דק דק יותר כדי להשיג ביצועים שווים או טובים יותר מאשר חומרים קונבנציונאליים. כאשר משולבים לתוך שמיכות או דבש, סיבים מורכבים, סיבים יכולים לעתים קרובות לשמור על פחתות פחמן של $ 10 $ לתוך פחתות פחמן / פחתות פחמן גבוה יותר מאשר פחתות פחמן בינוניים.

כוח מכני ויציבות

סיבים aramid יש חוזקות Tenile עד 3.6 GPa (Kevlar 29) וערכים מודוללוס מעל 130 GPa. זה אומר חומרים בידוד התחזק עם סיבים aramid מתנגד לדמיע, puncing, ו deformation תחת עומסי רטט או אווירודינמי. בתוך חלליות, שבו בידוד חייב לשרוד שיגור ואפקטים מיקרומטרודיאליים, arameroid מבוסס כמו גם על ידי גירוי של מערכות מחזוריות (Ric) או גירוי).

יכולת כימית

סיבים ארמיים מתנגדים להתקפה על ידי רוב המעצורים האורגניים, דלקים, נוזלים הידראוליים, וכימיקלים דה-קלינג.אי-האיטיות הכימית הזו מבטיחה כי ביצועי בידוד אינם מתפוגגים לאורך זמן בשל חשיפה לדלק סילון, סיכה, או ניקוי סוכנים.יתר על כן, aramids להראות התנגדות טובה לקרינה (גם UV ו gma) כאשר הם מצופים כראוי, מה שהופך אותם למשימות ארוכות טווח, לעתים קרובות יכול להיות מחוספס, ללא פגע, אך ורק תחת מגומים.

קידום חומרים Insulation באמצעות Aramid סיבים

מחקר בעשור האחרון עבר מעבר לתחושה פשוטה או לחפוף מתרכובות מתוחכמות שמנצלות סיבים ramid בסינרגיה עם חומרים אחרים.

Aramid-Reinforced Aerogels

Aerogels הם בין החומרים המוצקים ביותר הידוע, עם מוליכות תרמיות נמוך כמו 0.015 W / mK. עם זאת, גבולות שבריריות שלהם לעמוד בשימוש. על ידי הטמעת סיבים aramid לתוך אחליקה או פוליimide aerogel matrix, החוקרים ליצור שמיכה גמישה, עמידת קיימא כי לשמור על מוליכות תרמית נמוכה.

פאנלים של Composite Panels

שילוב סיבים aramid עם סיבים פחמן או סיבים סיבים מניבים מרוכבים היברידיים אשר מאזן בידוד תרמי, תכונות חשמל, וקיבולת עומס נושאות. במטוסי הדור הבא כמו בואינג 787 ו- Airbus A350, לוחות כאלה משמשים במטענים מחזיקות וראשי תאות. a a a Ordinary Marbleup היברידי עשוי לכלול כריכים ממולאים בין סיבי פחמן-טופס, עם טמפרטורות דומות ל 0% (A2) לעומת 30 שניות) כגון עמידה בלוחות מתכת כגון עמידה על פני כדוריות.

עקבו אחרי NTUTUTOR

ההתקדמות האחרונה ב nanoטכנולוגיה אפשרה את הפירוק של חלקיקים קרמיקה או מתכתיים על פני פני סיביים aramid. לדוגמה, שכבת אטומית (ALD) של אלומיניום (אל2O3) על סיבי Kevlar מעלה את טמפרטורת הפירוק שלהם על ידי מעל 100 מעלות צלזיוס ומשפר התנגדות UV באופן דומה, ציפויים של חומרים aerogel-forming ניתן ליישם ישירות על סיבים, יוצר שכבה גבוהה יותר מחוסמת חמצן, גם נגד סוללות משמעותיות.

מערכות בידוד חכמות

כמה מעבדות מתפתחות בידוד מבוסס aramid המשלב חומרים של שינוי בשלב (PCMs) או אלמנטים רגישים טמפרטורה. על ידי ניצול PCMs כמו שעווה פרפין לתוך סיבים aramid מרגיש, החומר יכול לספוג עודף חום במהלך עומסי חום שיא ושחרור זה כאשר הטמפרטורה ירידה, החלקת תנודות תרמיים זה ניהול תרמי הוא ערך עבור רכיבים מנוסים רחבים זה מסלולים במהלך מעברים.

השפעות על בטיחות אווירית ויציבות

שיפור התנגדות האש והבטיחות

אש מציבה סיכון קטסטרופלי בתעופה ובטיסת חלל.חומרי בידוד המבוססים על ארמידי אמיר בדרך כלל משיגים את הסיווגים הגבוהים ביותר להבה-הבה-מוכרים ביותר.לדוגמה, התחושות המבוססות על Nomex נפגשות עם דרישות ה-FAR 25.853 אנכיות: לאחר חשיפה של 12 שניות להבה, חומר-extinguis בתוך שניות, תערוכות צרבות, ואינו מייצר הטבות חום נמוכות, כמו גם עבור תאים חמים ושפלים, כאשר הם הובילו לדלקתיים, בנוסף לדלקתיים.

ירידה במשקל ודלק יעילות

כל קילוגרם של משקל שנשמר על מטוס מקטין את צריכת הדלק על ידי בערך 0.02–0.03 גלונים לשעה טיסה.למקם שמיכה מבוססת סיבים קונבנציונליים (חדמיות - 16 ק"ג / מ"3) עם שמיכה אווירוגל aramid (density) - 8 ק"ג / מ"מ 3) מעל שטח של 1,000 מ"מ חוסך 8,000 ק"ג על מטוס גדול מעל 30 שנים, יכול להפחית את רמת החיים של דלק או ירידה נמוכה יותר, 000 $, 000, 000, 000.

שיפור יכולת הסביבה

סיבים aramid מתנגדים לקליטת לחות (בדרך כלל פחות מ-4% על ידי משקל), בניגוד סיבים שיכולים לרתק מים ואבד ערך מסולק. הנכס הזה מונע עלייה במשקל ממיזוג ושומר על ערך R על חיי המכונית.בנוסף, בידוד aramid אינו מכיל צמיחה מיקרוביאלית או מפוצץ מבנים מתכת הסמוכים - בעיות נפוצות עם מינרלים.

אתגרים ושיקולים

למרות היתרונות שלהם, סיבים ארמאים מציגים אתגרים מסוימים כי מהנדסי אוויר חייב לטפל.

עלויות עלויות עלויות

סיבים בעלי ביצועים גבוהים הם יקרים יותר מאשר סיבים או פוליסטר. Nomex עולה בערך USD 30-40 ל קילוגרם, בעוד Kevlar יכול לעלות על 50 דולר ל ק"ג בהתאם לדרגה. עם זאת, העלות הכוללת של בעלות - כולל חיסכון במשקל, חיסכון דלק, מרווחי תחזוקה ארוכים יותר - לעתים קרובות רק אם הסכומים של הייצור עולה בהדרגה.

עיבוד וייצור

סיבים aramid קשה לחתוך ולמכונה באופן נקי בגלל הקשיות והנטייה שלהם כדי fray. הם גם דורשים טיפולים מיוחדים עבור דבקות טובה עם ריבינים; הפעלה על פני השטח באמצעות פלזמה או גרד כימי לעתים קרובות צריך לחבר סיבים aramid עם epoxies או מטבוליות אחרות. יצרנים חייבים לשלוט בקפידה לחות במהלך עיבוד כי סיבים יכול לספוג כמה לחות, המשפיעה על יציבות ממדית.

אולטרה סגול וחמצן אטומי רגישות

סיבים לא מבוקרים מחלחלים תחת קרינת UV והם פגיעים לשחיקה חמצן אטומית במסלול כדור הארץ נמוך.עבור יישומי חלל, שכבות מגן - כגון אלומיניום, ציפויים קרמיקה, או סיבים ramid מכוסה ב-UV-blocking Topcoat - הם חיוניים. in מטוסים, חשיפה UV היא מינימלית, אך לטווח ארוך באמצעות חלונות יכולים צהובים וחלשים בדים אלא אם הם מטופלים.

מחזור וסוף החיים

סיבים חד-מיים קשים למחזור בשל היציבות הכימית שלהם.מחזור מכני מניב סיבים קצרים שניתן להשתמש בהם כממלאים, אך מחזור תרמי או כימי דורש תנאים קשים.תעשיית האוויר משקיעה במערכות סגורות-פרלופ שבהן פסולת מייצור מופקרת ממוצרת מחדש למוצרים שאינם קריטיים.

פרספקטיבה עתידית

הדור הבא של כלי רכב אוויריים - ממטוסים היפרוזיים ועד לחלליות בין כוכבי הלכת - ידרוש עוד מחומרי בידוד.כמה כיוונים מבטיחים נחקרים.

Hypersonic ו-Reentry Applications

כלי רכב היפרוזיים (Mach 5 ומעלה) חווים טמפרטורות פני השטח מעל 1,000 מעלות צלזיוס בשל חימום אווירודינמי. סיבי Aramid לבד לא יכולים לשרוד קיצוניות כאלה, אבל הם יכולים לשמש כמצע מבני עבור מערכות הגנה תרמיות blative. על ידי פיזור של מרקים ramblid עם phenolic resorate או מדמי קרמיקה, ליצור מהנדסים קלים חומרים כי כריזמה לשאת את השכבה מכנית עבור חום (HET) כדי לספק ⁇ reamate טכנולוגיה מתקדמת.

בידוד רב-תפקודי

בידוד עתידי עשוי לשלב חיישנים, קציר אנרגיה, או קירור פעיל. סיביים של ארמידי הם מסוגלים להטביע חוטים מוליכים או אלמנטים אדזואלקטריים, המאפשר ניטור בזמן אמת של טמפרטורה, מתח, או נזק. בידוד חכם כזה יכול להזהיר אנשי תחזוקה עד נקודות חמות או להשפיע על אירועים לפני שהם מובילים לכישלון.

המונחים: bio-based and Recycled Aramid סיבים

קיימות הופכת לנהג מרכזי.חברות מתפתחות סיבים מבוקשים המבוססים על ביולוגית באמצעות מונומרים שמקורם במזנות צמחית.בעוד הביצועים כיום מפגרים מאחורי עמיתים המבוססים על נפט, ההתקדמות בכימיה של תסיסה עשויה לסגור את הפער.בינתיים, שיפור תהליכי מחזור משופר (למשל, פירוק נוזלים איטוניים) יכול לאפשר התאוששות של סיבים עתירי טיהור גבוה מסופן של פסולת מסופים של פסולת, צמצום פסולת.

שילוב עם ייצור תוספתי

הדפסה תלת מימדית של תרכובות aramid-reinforceed היא שדה מתפתח. Direct דיו כתיבה או לייזר סלקטיבי חטא של פולימרים מלאים aramid יכול לייצר צורות בידוד מורכבות, מותאם אישית עבור רכיבי חלל ללא עובש. גישה זו תקטין את זמני להוביל ומאפשרת הדבקה מהירה של גיאוגרפיות הגנה תרמית מותאם לעומסי חום ספציפיים.

מסקנה

סיבים ארמיים הוכיחו את עצמם יותר מאשר רק סיבים חזקים וקלים.התנגדותם התרמית, חוסן מכני, יציבות כימית להפוך אותם לתאים טבעיים לחומרי בידוד של הדור הבא של החלל.משמיכות אווירגל על מערכת שיגור החלל ועד לוחות תא עמידים על מטוסים מסחריים המיוצרים, מערכות מבוססות עששת כבר משפרות ויעילות בטיחות.

(ב) ◄ .

  • (ב) NASA: USA דוחות טכניים Server: Aerogel-Filled Aramid Honeycomb Insulation for Cryogenic TankscioFLT 1
  • (ב) ,0) ,DuPont Kevlar Technical GuideFIRLT 1
  • 2053B: מטוס הפנים אשליף 1
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • [15] [17] , [17] , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇