המרדף הבלתי פוסק של ביצועים גבוהים יותר בתחום התעופה, ההגנה והתעשייתי הוביל מדענים לחקור פתרונות אקזוטיים יותר לניהול תרמי.בין הגבולות המבטיחים ביותר הוא שילוב של חלקיקים - חלקיקים בדרך כלל פחות מ -100 ננומטרים בגודל - ישירות לחומרי מגן. גישה זו אינה רק ביצועים קיימים; היא משנה ביסודה את התפקוד התרמית, מכני, והתנהגות של נתיב כימי קיצוני, אשר ניתן להגיע לחומרים גמישים יותר, גמישים, אשר אינם מסוגלים להגיע אל מול חומרים מגנטיים, גמישים, גמישים, גמישים יותר, גמישים, גמישים, אשר נמצאים מעבר למגינים, גמישים, ועלולים להיות מורכבים יותר, גמישים, הם בעלי יכולת גבוהה יותר, אשר אינם רק חומרים מגנים.

מבוא ל-Nanoparticles in Heat Shields

מגיני חום משרתים פונקציה ראשית אחת: להגן על מבנה מאנרגיה תרמית הרסנית.בין אם חללית נכנסת מחדש לאטמוספירה של כדור הארץ במהירויות היפרוזיוניות, להב טורבינות מנוע סילון, או כרוב תעשייתי, הדרישות הן חמורות.מגן חום מסורתי להסתמך על חומרים כגון מחזק פחמן-פחמן (RCC), מברקים מקרמיקה (CMCs), או ציפויים תעשייתיים כי הם בעלי רמות גבוהות של חומרים רעילים, בעודם, כמו גם תכונות יעילות של חומרים אלה, כמו גם ממולקולות, כמו גם תכונות של פחמן-חום, כמו גם תכונות יעילות של פחמן-פחמותרפיות, כמו גם מגובה פחמן-פחמותרפיות, כמו גם מגובהם של פחמן-פחמותרפיות, כמו גם מגובה מגנטיות, או יעילות של חומרים.

כאשר מוטבע במריצה מארחת - באופן רטיבית פולימר, קרמיקה או מורכב פחמן - חלקיקים פועלים כמתגים תרמיים זעירים, רפלקטים, או מנצחים, בהתאם לקומפוזיציה שלהם, צורה וריכוז שלהם.התוצאה היא חומר רב פונקציונלי שאינו רק לעמוד בחום גבוה, אלא יכול לנהל אותו באופן פעיל, הפניית אנרגיה הרחק מאזורים פגיעים, זעזוע תרמי, ולשמור על שלמות מבנית בתנאים קונבנציונליים כי הם עלולים להרוס חומרים קונבנציונליים.

מכניזם של Thermal Enhancement

הבנת כיצד חלקיקים מוטבע משפר ביצועים תרמיים דורש מבט על שלושה מנגנונים עיקריים: שיפור מוליכות תרמי, פיזור פוניון ואפקטי ממשק, ותיקון חום רדיואקטיבית שינוי.כל מנגנון יכול להיות מותאם על ידי בחירת הסוג הננו-חלקיק המתאים, גודל, מורפולוגיה ופיזור.

הגדלת ההתנהלות הירומית

אחד היתרונות הישירים ביותר הוא עלייה דרמטית ב מוליכות תרמית יעילה של חלקיקים מורכבים. גבוהה התנהגותיים - במיוחד חומרים מבוססי פחמן כמו גרפן וננוtube פחמן (CNTs) - ליצור רשתות לחשיפה המאפשרים העברת חום מהירה לאורך מסלולים מועדיים, אפקט זה הוא קריטי עבור כתמים חמים מפחתת כי יכול לגרום טמפרטורות מוקדמות.

Insulation - Phon Scattering

באופן פרדוקסלי, אותו תוספת חלקיקים יכול גם לשפר את תכונות בידוד כאשר החלקיקים נבחרים עבור מוליכות אינפיניאלית הנמוכה שלהם או פוניון גבוה לפזר חצי-סעיף. Silica (SiO2) ו aerogel חלקיקים הם דוגמאות ראשוניות.מבנה ⁇ שלהם ו מוליכות תרמית נמוכה מאוד (כמו 0.02 / mc עבור גל) לעשות את זה פיזור גדול של phosine טהור של חום טהורים טהורים.

ניהול חום רדיטיבי

בטמפרטורות הקיצוניות שנפגשו במהלך טיסה היפרוזיונית או כניסה מחדש (למעלה מ 2000 מעלות צלזיוס), העברת חום נשלטת על ידי קרינה. nanoparticles ניתן להנדס כדי לשקף או לספוג להקות מסוימות של אור אינפרא אדום וגלוי. לדוגמה, חומרים כמו בורון nitride (BN) ננוגליונים יש קצבה גבוהה בטווח, המאפשר הגנה על חום לאנרגיה אינפראמית כדי לפשטה לאחור באופן יעיל יותר, כמו גם יכולת קירור גבוהה, או מחוסמת חום, כמו מגנטית, כמו גם על ידי מגנטית חום, כמו מגנטית חום, או מגנטית, כמו מגנטית, כמו מגנטית, כמו מגנטית, כמו מגנטית, כמו מגנטית, או מגנטית, כמו מגנטית, או מגנטית, או מגנטית, או מגנטית, או מגנטית, כמו גם על ידי גודל זה יכול להיות מסוגלות גבוהה יותר, כמו מגנטית, כמו מגנטית, כמו מגנטית, כמו מגנטית, כמו מגנטית, או מגנטית, כמו מגנטית, כמו מגנטית, או מגנטית, כמו מגנטית, כמו מגנטית, כמו מגנטית, כמו מגנטית, כמו מגנטית, 000 חזק יותר, כמו מגנטית, 000 חזק יותר, 000 חזק יותר, 000

חיזוק מכני מוגבר בטמפרטורות גבוהות

ההגנה הירומית אינה רק על העברת חום; החומר חייב לשרוד את העומסים המכניים המוטלים על ידי לחץ חלקיקים, רטט, ולחצים התרחבות תרמיים. nanoparticles לפעול כמו חיזוק סוכנים בתוך הממטריקס. פחמן צינורות, למשל, יש כוח רבייה בערך 100 פעמים כי של פלדה, אבל צפיפות אחת של פלדה.

סוגים של חלקיקים ונכסים שלהם

בחירת חומר חלקיקים היא קריטית להשגת פרופיל תרמי הרצוי.חוקרים חקרו מגוון רחב של מועמדים, כל אחד מציע קבוצה ייחודית של מאפיינים תרמיים, מכניים וכימיקליים.

Metal Oxide Nanoparticles

תחמוצת מתכת - כגון תחמוצת טיטניום (TiO2), תחמוצת אלומיניום (Al2O3), ו- zirconium דו תחמוצת (ZrO2) - משמשת רבות ליציבות התרמית שלהם, אינטונציה כימית, ועלויות נמוכות יחסית. Al2O3 nanoparticles, למשל, יש מוליכות תרמית סביב 30 W/mK ונקודת נמס מעל 2000 מעלות צלזיוס, מה שהופך אותם להפחתה מהירה יותר, כמו גם להפחתה מהירה של מנגנונים איטיים, כמו גם להפחתה מהירה יותר של חום.

חלקיקים מבוססי פחמן

פחמן דוטרופיים שולטים בקצה המוליכים הגבוהה של הספקטרום. Graphene - שכבה אטומית אחת של פחמן - אקסביטלס יוצאת דופן מוליכות תרמית של מעל 5000 W / mK, יותר מכל חומר ידוע אחר.כאשר מפוזרים כמו nanoplates או flakes, גרפן יוצר רשת התנהגותית כי מורידה באופן דרמטי את ההתנגדות תרמית (NTs), הן חד-חמצני עבור צורה נמוכה יותר (NT-חמצני) אך עדיין גבוהה יותר (Dicide) אך עדיין יכול להיות יעיל יותר יעיל יותר קומפקטי יותר קומפקטית) עם לחץ דם גבוה יותר סגסוגת חום (DVal) אבל עדיין קרמיקה) עם קרמיקה (DValide (DVal) אבל עדיין גבוהה יותר קרמיקה) עם לחץ דם גבוה יותר קרמיקה) עם קרמיקה) עם קומפקטי יותר קומפקטי יותר סגסוגת עם קרמיקה (Dide מגנטית גבוהה יותר קרמיקה (DVated) עם קרמיקה (Dide (Dide מגנטית) עם קומפקטית גבוהה יותר קומפקטית גבוהה יותר קרמיקה) עם קומפקטית גבוהה יותר קומפקטית גבוהה יותר קומפקטית) עם קומפקטית) עם קומפקטית גבוהה יותר קומפקטית גבוהה יותר קומפקטית גבוהה יותר סגסוגת גבוהה

Silica ו- Ceramic Nanoparticles

עבור יישומים חד-ממדיים, silica (SiO2) חלקיקים הם עבודת הכפייה שלהם ניטארי נמוך באופן טבעי התנהגות תרמית (כ-1.3 W/mK עבור אחליקה צפופה, אבל נמוך בהרבה עבור חלקיקים ננוספירים) בשילוב עם יציבות כימית עד כ - 1600 מעלות צלזיוס הופך אותם מתאימים למגן חום קל משקל.

חלקיקים נוספים

המחקר ממשיך לחקור אפשרויות אקזוטיות יותר. חלקיקים יהלום (nanodiamonds) להתגאות תרמי סביב 2000 W / mK והם אינפורט כימי, אבל העלות הגבוהה שלהם מגבילה את היישום לרכיבי אוויר ננו-חלקיקים של ננו-חלקיקים כגון נחושת או כסף ניתן להשתמש בסופו של דבר במשטרים טבעיים, אבל הם מתמודדים עם בעיות חמצון מעל כמה מאות מעלות צלזיוס מאפשר מעבר חום (Ric) עבור כל אמצעי חימום טבעי, כלומר, 000).

יישומים בתעשיות

הפוטנציאל של מגיני חום ננו-חלקיק-enhanced נחקר על פני מגזרים מרובים, כל אחד עם דרישות ייחודיות.

חקר החלל והחלל

זה היישום התובעני ביותר.Spacecraft re-entering את האווירה של כדור הארץ טמפרטורות מעל 3000 מעלות צלזיוס על גוף הגוף. חללית Orion של נאס"א משתמשת abator, אבל החוקרים בודקים באופן פעיל טמפרטורות מוטבעות עם פחמן ננומטר או גרפן כדי לשפר את הקשב ולהפחית את המשקל.עבור כלי רכב היפרוסקוניים, חומרים חייבים לעמוד הן חום קיצוני והן כוחות Sheborra של אלומיניום (לדוגמה, 000) עם סיליקון, 000 גרם ל-Cide (למשל, 000) עם סיליקון) עם התפתחות מורכבת של סיליקון (Ricbide) עם סיליקון) הוא מעל 40 $, 000) הוא מוביל של סיליקון (מפרקרד) עם סיליקון) עם סיליקון) יש שיפור סיליקון) עם סיליקון (מפרקרד) עם סיליקון) עם סיליקון (Ricial) הוא מוביל של סיליקון) הוא מוביל של מחזור חום גדול יותר מסגסוגת קירור (מפרקרדמת (מפרקרדמת חום גדול יותר מטבולית (מפרקרדמת חום גדול יותר מטבולית (מפרקרד) הוא מעל 40) הוא מעל סיליקון) הוא מעל סיליקון) הוא מעל סיליקון) יש צורך סיליקון) הוא מעל סיליקון)

רכב וספורט

בלמים בעלי ביצועים גבוהים, רכיבים ממצה, וחלקי מנוע במכוניות מרוץ וספרי יוקרה חייבים לנתק חום אינטנסיבי. Brake rotors שנעשו מתרכובות פחמן-ceramic יכול להיות משופר עם CNTs כדי לשפר את מוליכות תרמית ולהקטין במהלך עצירות קשה חוזרת. בדומה, הוספת silica או alumina nanoparticles כדי מתחת לתחת בידוד מסייע להגן על אלקטרוניקה רגישה ולהפחית חום לתוך תאים חמים ממתכת.

בנייה תעשייתית ודור חשמל

(ב) ציפויות, זעזועים, ו להבים טורבינות גז פועלים בסביבה רציפה של זמן רב. Embedding zirconia או yttria-bilized zirconia nanoparticles לתוך ציפויים תרמיים מחסום (TBCs) יכול להגביר את מוליכות תרמית על ידי 20-30% תוך הגדלת קשיחות רכיב ומאפשרת טמפרטורה גבוהה יותר, שיפור יעילות תרמו-פרית של 3.

אתגרים ושיקולים

למרות ההבטחה שלה, היישום המעשי של מגנים חום ננו-חלקיקים עומדים בפני כמה מכשולים.האתגר הקריטי ביותר הוא השגת פיזור אחיד. nanoparticles יש שטח משטח עצום ואטרקציות חלקיקים חזק; ללא די-הסלמה נאותה, הם יוצרים clumps כי לפעול כמו ממריצים מתח ופגמים יקרים.

בעיה נוספת היא היציבות ארוכת הטווח של המסובך תחת רכיבה תרמית חוזרת על ידי הבדלים באפקטים של התרחבות תרמית בין חלקיקים לבין matrix יכול לגרום microcracks. אג"ח בין-גזעי חייב להיות חזק מספיק כדי לעמוד בלחצים אלה; אחרת, היתרונות התרמיים מחלחלים לאורך זמן.

עלויות הן גם מחסום. גרף באיכות גבוהה, ננודמונדס, וננו-בוגן חד-פעמי פחמן חד-קירה יקרים מאוד עבור יישומים בשוק המוני-השוק.חוקרים בודקים חלופות זולות יותר, כגון תחמוצת גרפן (שזה יותר זול אך יש לו מוליכות נמוכה יותר) או ננופיברים פחמן ברמה תעשייתית.

לבסוף, מודלים וכלים סימולציה חייבים להיות מעודן כדי לחזות את התנהגותו של המסובייק במדויק.שימוש בגישות רב-ממדיות שגשר סימולציות אטום עם ניתוח אלמנט סופי מתמשך יכול להנחות, אך המורכבות גבוהה.

כיוונים עתידיים למחקר

השדה נע במהירות לעבר עיצובים מתוחכמים יותר.כיוון מבטיח אחד הוא השימוש nanoparticles היברידית - שילוב, למשל, גרפן ל מוליכות ו- silica עבור בידוד - כדי ליצור חומרים מדורגים פונקציונלי שבו תכונות תרמיות משתנות דרך עובי של מגן. השני הוא התפתחות של מגיני חום חכמים להגיב באופן פעיל לשינויים טמפרטורה: חלקיקים שלב (למשל, צינורות תרמיים, מאוחר יותר יכול לספוג את זה חום) לאחר מכן יכול לספוג את זה יכול לספוג את זה מכבר לחץ דם גבוה יותר.

ייצור Additive (3D הדפסה) הוא פתח אפשרויות חדשות עבור הטמעת חלקיקים עם שליטה מרחבית מדויקת. כתיבה ישירה של דיו חלקיקים-infused דיוודות מאפשר יצירת מגיני חום מורכבים, מבוסס לקטייה המשלבים כוח גבוה עם אלגוריתמים למידה נמוכה.מכונה מאומנים על נתונים עצומים של תכונות תרמיות לחזות סוגים אופטימליות חלקיקים וריכוזים ספציפיים עבור משימות.

בצד המדעי היסודי, הבנה עמוקה יותר של תחבורה מזווונית על פני ממשקי nanoparticle-matrix נדרש.התקדמות ב-spectroscopy ומיקרוסקופית - כגון אלקטרון מהיר יותר של אלקטרון דיפרקציה תרמית סריקה - מאפשרים לחוקרים להתבונן ישירות בזרימת חום ב nanoscale.זהו ידע זה ינחה את ההנדסה של ממשקים עם התנגדות מינימלית:0Sirsualrcrepherarceration for aalyticserverver.

מסקנה

השילוב של חלקיקים מוטבע מציין שינוי פרדיגמטי בעיצוב מגן חום.על ידי decoupling מוליכות תרמית מן הצפיפות ומאפשר שיפורים בו זמנית בידוד, כוח והתנהגות קורנטיבית, אלה מורכבים מציעים נתיב לעבר מערכות הגנה בהירות יותר תרמיות מסוגלות יותר, בעוד אתגרים בפיזור, יציבות, ועלויות להישאר, מסלול המחקר הוא ברור: nanoparticleen-enance חום יופיע בקרוב תכונות סטנדרטיות, כמו גם חומרים מתקדמים, כמו גם חומרים תעשייתיים, אז, אז, אז, אז, כמו גם חומרים מתקדמים, כמו גם טמפרטורות תעשייתיות, אז, כמו גם טמפרטורות סטנדרטיות, אז, אז, ואפקטים, אז, אז, כמו גם טמפרטורות תעשייתיות, כמו גם טמפרטורות מהירות, כמו גם אטומיות, אז, אז, אז, אז, אז, אז, אז, אז, מהירות גבוהה, אז, אז, אז, ועלויות ייצור, אז, אז, אז, אז, אז, אז, אז, אז, אז, אז, אז, אז, אז, אז, אז, מהירות הנדסה מתקדמת, מהירות הנדסה מתקדמת, כמו גם מהירות, אז, מהירות, מהירות, אז, אז, מהירות, אז, אז, אז, מהירות הנדסה מתקדמת, אז, אז, אז, אז