ניצול פוטנציאל של שינוי בשלב עבור קרינת הגנה דינמית

פריצות דרך האחרונות במדעי החומרים יש אסטרטגיות ניהול תרמי בצורת מחדש על פני תעשיות, לא משכנע יותר מאשר התפקיד המתעורר של חומרים שינוי שלב בטכנולוגיה של הגנה חום.מערכת הגנה תרמילית הם בדרך כלל פסיביים - הם חוסמים או סופגים חום באמצעות תכונות קבועות.שלב חומרים (PCMs) מציג מימד דינמי, המציע יכולת רגנרטיבית לספוג, לאחסן, ולשחרר אנרגיה תרמית על הביקוש.

הבנת חומרים שינוי שלב

חומרי שינוי שלב הם חומרים מונדסים לאחסון או לשחרר כמויות גדולות של חום מאוחר במהלך שינוי המדינה - בדרך כלל מוצק נוזל ובחזרה.בניגוד אחסון חום הגיוני, אשר מעלה טמפרטורה חומרית, PCMs לשמור על טמפרטורה כמעט קבועה בעוד שלב המעבר מתרחש.חום נספג במהלך ההיתוך נקרא enthalpy של היתוך, והוא יכול להיות מאות קילווליות perlogram - הרבה יותר מאשר את טווח חום קונבנציונלי של חומרים קדחת חום קונבנציונאלי על פני קיבולת.

המדד המרכזי לביצועים של PCM הוא יכולת החום הספציפית שלו ונקודת התכה. עבור יישומי מגן חום, נקודת ההמיסה חייבת להתאים את טמפרטורת ההפעלה של היעד - בכל מקום מ- -40 מעלות צלזיוס לסביבות Cryogenic ליותר מ 1000 מעלות צלזיוס עבור כניסה אטמוספרית. משפחות PC CommonM כוללות פרפרנים אורגניים, חומצות שומן, לחות מלוחות, וסגסוגת מתכתיות, כל אחת מציעה סחר ייחודי בין מחזורי משקל תרמי, לבין יציבות.

כיצד PCMs לשפר את ביצועי מגן החום

מגן חום מסורתי נופל לשתי קטגוריות: ablative, אשר להקריב חומר על ידי התכה או חיסון כדי לשאת חום, וניתן יהיה לחזור על זה, אשר מסתמכ על קרמיקה גבוהה או תרכובות כדי לשקף לאט לאט לאט לאט לנהל חום. Both גישות הן סטטי על ידי עיצוב - התנהגות תרמית שלהם נקבעת על ידי ייצור.M-enhanced מגן לשנות את הפרדיגמה זו.

תקנה דינמית זו מאפשרת שני יתרונות קריטיים. ראשית, היא מטביעה את פרופיל העומס התרמי, צמצום הטמפרטורה שיא כי המגן חייב לעמוד. השני, זה מאפשר למגן לפעול בטווח רחב יותר של טראנסים תרמיים ללא עיצוב מחדש.ברכבי החזרה אווירוקל, למשל, שכבת PCM יכולה לרסק את הדופק העז במהלך ממשק אטמוספירי, ולאחר מכן שחרור זה במהלך שלב ארוך, קר, שעלול להפחתתורציה בסך 200% על ידי מסה הכוללת.

יתרונות מרכזיים של PCM-Enhanced Heat Shields

• תקנות:0 (FLT:1 Theמגן עצמו מוסדר בזמן אמת, תגובה מחזורי חימום וקירור חולפים ללא מערכות בקרה חיצוניות.
• (FLT:0Weight Reductionve: FLT:1 כי PCMs לאחסן יותר אנרגיה ליחידה מסתם חומרים חום הגיוני, מהנדסים יכולים לכווץ את שכבת הבידוד, חיתוך משקל מבני - גורם קריטי בשיגור כלי רכב ומטוסים היפרוזיים.
• (FLT:0)Extended Lifespan:FLT:1 על ידי החלקת תנודות טמפרטורה, PCMs להפחית את הלחץ התרמית על המפרקים המחוברים, הציפויים והמבנה הבסיסי.זה מרחיב את מספר המחזורים מגן חום שניתן לסבול לפני שיפוץ.
• (FLT:0) התנהגות בטוחה של FEL: FLT:1 אם מגן PCM מחוספס סובל סדק או נזק קטן, מנגנון השינוי בשלב ממשיך לספוג חום מקומי, למנוע התפשטות קטסטרופלית.

סוגים של PCMs המתאימים ל- Heat Shields

לא כל PCMs נוצרים שווים עבור טמפרטורות גבוהות או סביבות פלסוקס גבוה.הבחירה תלויה נקודה נמס, חום מאוחר, יציבות, והתאמה עם המריצה המבנית של המגן.

PCMs

שעווה פרפין וחומצות שומן הם הנפוצים ביותר נבדקים PCMs. הם מציעים חום מאוחר יותר (150-250 kJ / kg), התנהגות לא קורוזית, ו supercooling רשלני. נקודות ההיתוך שלהם טווח מ 10 ° C עד 70 מעלות צלזיוס, מה שהופך אותם מתאימים למגןים נמוכים עד בינוני - כגון אלקטרוניקה תרמית או רכב מתחת למגפיים התחתונות נמוכה.

מלח אורגני

מלח hydrates, כגון סידן chloride hexahydrate או נתרן sulfate decahydrate, יש חום רב יותר נפח מאוחר התנהגות סביב 0.5 W / mK. נקודות מלטינג בדרך כלל ליפול בין 15 מעלות צלזיוס ו 120 מעלות צלזיוס. עם זאת, הם סובלים משלב והיתוך incongent - המלחים עשויים להתיישב לאחר מחזורים חוזרים, degrading ביצועים ו- 120 מעלות אלה יכולים להפחית בעיות אנפסה.

Metallic and Alloy PCMs

עבור סביבות קיצוניות (above 300 מעלות צלזיוס), PCMs מתכתי כמו ⁇ אלומיניום-silicon או גליום הם האפשרויות המעשיות היחידות. הם מתפארים התנהגות תרמית מעל 30 W / mK וחום מאוד גבוה מאוד מאוחר נפח. צפיפות גבוהה שלהם יכול להיות עונש, אבל במערכות מחוספס משקל כמו ננוסים, ספיגות חום גבוהות יותר על עלייה המונית.

מיקסטייפ

מחשבים גלקטיים משלבים שני מרכיבים או יותר כדי להשיג נקודת נמס אחת ללא הפרדה בשלב.הם יכולים להיות מותאמים לטמפרטורות ספציפיות ולהציע מחזוריות טובה יותר לטווח ארוך. טקטיקות נפוצות כוללות שילובים מלחים אורגניים אורגניים ותערובת אורגנית-אורגנית.הגמישות שלהם הופכת אותם אטרקטיביים יותר ויותר עבור עיצובי מגן חום מותאם אישית.

שיטות אינטגרציה עבור PCMs ב- Heat Shields

פשוט הצבת שכבת PCM בתוך מגן אינה מספיקה; החומר חייב להיות הכלול כדי למנוע דליפות בשלב הנוזל ולהבטיח העברת חום יעילה.

סליחות

מיקרונופסציה מעילה קטן PCM טיפות (<100 μm) עם קליפת פולימרי או קרמיקה. הקפסולות יכול להיות מעורב לתוך כבל או מאטרקס, להרכיב מסובייק שמטפל מחזורי היתוך חוזרים ללא דליפות מקרוסקופיות. Macrocapsulation משתמשת מתכת גדולה יותר או פולימרים, אשר קלים יותר להתקין אבל יותר משקל והתנגדות תרמית.

« « גלגולים פוריים

קצף מתכת, קצף גרפיט, או דבש קרמיקה ניתן לחדור עם נוזל PCM. השלד ⁇ משפר התנהגות תרמית ותומכת מבנית PCM במהלך מעברים מוצקים-מישיקים.התוצאה היא מורכבת עם מוליכות תרמית לעתים קרובות שניים עד שלושה הזמנות של גודל גבוה יותר מאשר PCM לבד.

עיצובים שכבתיים ודרגות

במקום להפיץ באופן אחיד PCM, כמה מגינים משתמשים בקידוד - מחשבי PCM גבוה בלחיצת נקודות ליד הפנים החמות ו- PCM נמוך יותר לכיוון הצד הקר.זה שלבץ סופג חום על טווח טמפרטורה רחב יותר, אופטימיזציה של צריכת אנרגיה כוללת שכבתית עיצובים גם מאפשר מגן לפעול כסוללה תרמית, אחסון חום משלב אחד של משימה ושחרורו במהלך אחר.

צינורות חום נשמטים

במערכות ביצועים גבוהות, צינורות חום או תאי vapor ניתן לשלב כדי להפיץ חום ממקומות מרוכזים לתוך מאגר PCM. שילוב זה מספק תחבורה מהירה אחסון תרמי, מניעת שחיקה מקומית.

יישומים אמיתיים של PCM Heat Shields

הרגולציה הדינמית המוצעת על ידי PCMs עברה מסקרנות מעבדה למניעה מעשית על פני תעשיות מרובות.

אווירי ו Hypersonics

נאס"א וסוכנות החלל האירופית חקרו מערכות הגנה תרמיות מודבקות עבור כניסה פלנטרית ושיט היפרוזיאני.לדוגמה, המעבדה למדע מאדים תנורי חום-מרפאים מועסקים בעיצוב שכבתי; החוקרים חוקרים בודקים כעת האם שילובי דבש מלאים של PCM-מלאים יכולים להפחית את המסה תוך ניהול גלי החום הגבוהים מגרור אטמוספרי.

מחקר נאס"א על שינוי חומרים לניהול תרמילייםFLT 1:1 מדגיש יישומים סוללות חלל, אלקטרוניקה, בקרת טמפרטורה של תא צוות, אבל אותם עקרונות משתרעים על שילוב מגן חום.

הגנה על רכב

כלי רכב חשמליים (EVs) מייצרים חום אינטנסיבי במהלך טעינה מהירה ופריצת סוללות.תחתוני מתחת לתחתוני ופאנלים הרצפה מצוידים במחשבי PCMs יכולים לספוג ולחלק מחדש חום הרחק מהתא וחבילת הסוללה.בכלי רכב פנימיים, מגינים מורדים ממצה באמצעות מחשב מתכתי PCMs עוזרים לנהל חום לאחר סגירת מנוע, הגנה על אלקטרוניקה רגישה.

מערכות חשמל ואלקטרוניקה

לייזרים בעוצמה גבוהה, מכ"ם, ורכיבי מרכז נתונים כולם זקוקים לדחיית חום מתמשכת.מחשב מבוסס על כיור חום - מודולים קטנים וחתומות מלאים במחשב אורגני - חלק מהספיציפי חשמל, למנוע טמפרטורות השבבים ממגבלות עיצוב.אלה משמשים יותר ויותר ב avionics ו-Lown Payloads שבו קירור מבוסס המעריצים הוא בלתי אפשרי.

(FLT:0Engineered PCM חם כיור עבור אלקטרוניקהFLT) 1 הם ספינ-off בוגר מחקר ניהול תרמי, להוכיח כי אותה טכנולוגיה ניתן בקנה מידה כדי להגן על חום גיאוגרפיהmetries.

השוואה עם חומרים מסורתיים של הגנה

כדי להעריך את מגיני PCM-enhanced, זה עוזר להשוות אותם ישירות עם הטכנולוגיות המכוונות.

מגן חום שלילי

חומרים מוליכים (למשל, פנובי-סרמטורים פחמן מופקדים) עובדים על ידי pyrolyzing ו- eroding, לשאת חום רחוק כמו מסה אבודה.הם חזקים ויכולים להתמודד עם פלוקס חום קיצוני, אבל הם שימוש יחיד, כבד, ולא יכול להתאים לתנאים משתנים.

Reusable Ceramic / Compposite Tiles

אריחים בסגנון מעבורת חלל מסתמכים על מוליכות תרמית נמוכה כדי לשקף חום והתנהלות איטית. הם שבריריים, כבדים ורגישים לנזק. PCM-embedded אריחים יכול להוריד את טמפרטורות פני השטח על ידי 100-200 מעלות צלזיוס במהלך החזרה, צמצום ה ⁇ התרמית תרמית והלם התרמית.ה יכול להיות דק יותר, תוך שיפור קשיחות באמצעות אפקט לחות של PCM.

מערכות הגנה מתכתית

מגיני חום Superalloy (למשל, Inconel) הם קשוחים וניתן להזיז אותם אך הם עושים חום בקלות, הדורש בידוד עבה מתחת.

(FLT:0) דוחות טכניים של נאס"א על מערכות הגנה תרמיות מתקדמות של ההרחבה:1) מתעדים את מדדי הביצועים ההשוואתיים של ארכיטקטורות TPS שונות, כולל PCM מועמדים.

אתגרים לOvercome

למרות ההבטחה, יש לטפל בכמה מחסומים טכניים לפני שמגן חום מ-PCM הופך לסטנדרט.

אופניים ומיומנות

התכה חוזרת וכושר הנקה יכולים להוביל לפירוק חומרים, היפרדות שלב, ושינויים בנפח.מחשב אורגני עשוי להיות חמצון בטמפרטורות גבוהות; hydrates מלח עלול לאבד מים. פגזים Encapsulation יכול לפצח מעל אלפי מחזורים. משימות לטווח ארוך דורשות PCMs לסבול מאות מחזורים תרמיים ללא אובדן ביצועים.

התנהגות נורמטיבית מתבטלת

רוב מחשבים התחממות גבוהה יש מוליכות תרמית נמוכה. במהלך דופק חום מהיר, שכבת PCM ליד הפנים חם נמס במהירות, אבל החום לא חודר עמוק מספיק כדי להשתמש במסה PCM המלא. מהנדסים חייבים מהנדס למלאי מילוי מוליכים, סנפירים, או קצף כדי למשוך חום לתוך נפח - תוספת עלות ומיסה.

סליחות והחזקה

Leakage של PCMolten יכול לנפץ מגן חום, יצירת ריקנים כתמים חמים. עבור השימוש בתעופה, מכילות חייב להישאר שלם תחת רטט, ואקום, ורכיבה בלחץ. אג"ח מתכתי מתקדם או טכנולוגיות ננו-שמנה עדיין בפיתוח חומרה מותאמת לטיסה.

אינטגרציה מערכתית-Level

ביצועי PCM תלויים בפרופיל המשימה.מגן מותאם לחזרה קצרה, אינטנסיבית עשוי להיות חסר תועלת לסביבה ארוכת טווח בתחנת חלל.מודלים Computational כי שני שינויים בשלב, העברת חום ומכניקה מבנית נדרשים לחזות במדויק את האישור של חומרים חדשים עבור יישומים קריטיים בטיחות.

כיוונים עתידיים למחקר

העבודה הנוכחית מתמקדת להתגבר על האתגרים הללו באמצעות חומרים מתקדמים ועיצוב חכם.

ננו-Enhanced PCMs

הוספת חלקיקים של גרפן, צינורות פחמן, או תחמוצת מתכת יכול להגביר את מוליכות תרמית על ידי סדר גודל ללא השפעה רצינית על חום מאוחר. חוקרים גם לחקור nano-encapsulation עם silica או alumina קליפות כדי לשפר את חיי מחזור.

מיצגים חכמים עם נכסים עצמיים

רעיון מתפתח משלב מחשבים עם ⁇ צורה-זיכרון או ציפויים של הרשיון משתנה.המגן יכול לשנות באופן פעיל את התכונות התרמיות שלו - למשל, עלייה רפלקטיביות ככל שהטמפרטורה עולה - בעוד שה-PCM מספק אחסון פסיבי.זה מחקה תרמוregulation ביולוגיים.

עיצוב ולמידה של מכונות

בהתחשב במרחב הפרמטר העצום (PCM סוג, נקודת התכה, גיאומטריה, שכבתית, גלידת חום המשימה), מודלים של למידת מכונה יכולים לייעל עיצובים מהירים יותר מאשר מחקרים פרמטריים מסורתיים. תאומים דיגיטליים יכולים גם לפקח על PCM בזמן אמת ולהתאים פרמטרים של משימות, כגון גישה או throttle, כדי לשמור את המגן בתוך המעטפה התפעולית הבטוחה שלה.

(FLT:0) התקדמות בלמידה של מכונות עבור חומרים עיצוביםFLT:1) הם מוחלים כדי להאיץ את גילוי מחשבי PCM עם נקודות נמס מותמות מותנות ונשפי גבוה.

מסקנה

חומרי שינוי שלב מציעים נתיב טרנספורמטיבי קדימה עבור טכנולוגיית מגן חום - אחד שנע מבסיס סטטי, יחיד-event הגנה על רגולציה תרמית דינמי, הסתגלות. על ידי סופגת ושחרור כמויות גדולות של חום מאוחר, PCMs יכול להגביר שיאים תרמיים, להפחית משקל מבני, ולהרחיב את החיים התפעוליים על יציבות, התנהגותיות, והחזקה אמינה להישאר, מחקר מתמשך בחומרים ננו-רגישים, חכם, ואופטימיזציה מהירה יותר, כמו גם את חומר הגנה סטנדרטית של כלי רכב.