סקירה של Tribology בחומרים אוויריים מתקדמים

המרדף הבלתי פוסק של ביצועים גבוהים יותר, יעילות דלק ועמידות במערכות חלל מציב דרישות יוצאות דופן על חומרים.כל רכיב נעים, מלהבות טורבינות ועד למבצעי הילוכים נחיתה, פועל בתנאים שמצביעים על גבולות החיכוך, ללבוש, ו סיכה.זהו התחום של טריבולוגיה - מדע של אינטראקציה משטחים בתנועה יחסית.

⁇ אווירי מרחב מסורתיים כגון טיטניום וסופר-על מבוסס ניקל שימשו כבר זמן רב כמדנים עבור כוח והתנגדות חום. עם זאת, הביצועים הטריביולוגיים שלהם לעתים קרובות קצר בתנאים יבשים או גבולות, המוביל ללבוש מוגזם, גירוד, או פרכוס זה יש להאיץ מחקר לתוך חומרים מורכבים המבוססים על פחמן, אשר המהנדסים לספק חיכוך גבוה ללבוש ללא להקריב קלושים יכולת שליטה על פני שטח - או סוללות אחוריים חדשים, שילוב של חומרים מורכבים, חומרים המבוססים על פחמן, שילוב של פחמן, חומרים מורכבים, מגנטיים, או חומרים מורכבים, מגנטיים חדשים, שילוב של חומרים מורכבים, מגנטיים, מגנטיים, או מגנטיים, שילוב של חומרים מורכבים, מגנטיים המבוססים על פני מגנטיים המבוססים על פני מגנטיים חדשים, שילוב של חומרים מורכבים, מגנטיים, מגנטיים מורכבים, או מגנטיים מורכבים, משולבת, משולבת, מגנטיים, משולבת, משולבת, חומרים מורכבים, חומרים מורכבים, חומרים מורכבים, חומרים מורכבים, משולבת, משולבת, מגנטיים מורכבים, משולבת משולבת משולבת משולבת חומרים מורכבים, חומרים מורכבים, חומרים מורכבים, מגנטיים מורכבים, המבוססים על פני מגנטיים מורכבים, משולבת חומרים מורכבים, משולבת, משולבת חומרים מורכבים, מגנטיים מורכבים, המבוססים על פני מגנטים המבוססים על פני מגנטים המבוססים על פני מגנטיים

מדוע טריבולוגיה חשובה במזג אווירי

כשלים Tribological ב-Aerospace יכולים להיות השלכות קטסטרופליות.סילינג של נושא ב-Fron Control Actuator, ללבוש מוגזם של להב טורבינות שחצץ, או אובדן של סרט סיכה בתיבת הילוכים יכול להוביל תחזוקה בלתי מופרכת, אולמות משימה, או גרוע יותר הבנה ולנהל מנגנונים הוא לא שיקול משני אלא דרישה עיצובית.

תנאי הפעלה מאתגרים חומרים מסורתיים

  • (FLT:0)Vacuum וסביבות מדכאות נמוכות: אנדרט 1:1 לוויינים רבים וחללית פועלים בוואקום, שבו לובריקים נוזליים קונבנציונליים מתאדים או משפילים.
  • (FLT:0) טמפרטורות Crycioogenic (למשל, מיכלי מימן נוזלי) ליותר מ 1000 מעלות צלזיוס בסעיפים חמים של מנוע סילון דורש חומרים שמירה על משככי חיכוך יציבים ולבוש את הריבית על פני טווח תרמי רחב.
  • (FLT:0) מתחי מגע גבוהים: FLT:1 Landing הילוכים ומפרקים מהירים חווים עומס סטטי ודינמי גבוה שיכול לגרום לעייפות משטח ועייפות.
  • (ב) ⁇ :0) ,מונים והריסות: חליל 1 (חול, אבק ומיקרו-מטאורואידים בחלל או על פני השטח הפלנטריים מציגים ללבוש חודרני כי הוא חייב להתנגד.

אתגרים אלה הופכים ביצועים תלת-ביולוגיים לקריטריון בחירה מפתח לצד כוח מבני, יציבות תרמית ומשקל.חומרים מורכבים הרומן נועדו יותר ויותר לטפל במצבי כישלונות מרובים בו זמנית.

חומרים משותפים לטריבולוגיה אווירית

חומרים Composite עבור יישומים אווירו-מרחביים הם בדרך כלל מסווגים על ידי השלבים הממטריקס והחיזוק שלהם.המשפחות המבטיחות ביותר כוללות פולימרים פחמן-פריים (CFRPs), מרפלקסים קרמיקה (CMCs), ממטריקס מתכת מורכב (MMCs), ו היברידיות פולימרניות-ceramic. כל אחד מציע יתרונות משולשים נפרדים לחלונות ספציפיים.

Carbon סיבים-Reinforced Polymers (CFRPs)

CFRPs משמשים נרחב רכיבים מבניים, אבל תכונותיהם הטריביולוגיות יכולות להיות משופרות על ידי בחירת אוריינטציה סיבים מתאימים והוספת חומרים סיכה מוצק כגון פוליטרהפלורמולמולן (PTFE) או גרפיט.במגעים מזחלים, סיבי הפחמן פועלים כמו גם אלמנטים נושאי עומס, בעוד ממטריקס פוליטרקטי מספק כוח קרקעי נמוך, וכתוצאה מכך אפקטיביות נמוכה של חיכוך (pty-0.12 מתאים גם טבעות בקרה).

Ceramic Matrix Composites (CMCs)

CMCs, כגון סיליקון carbide סיבים-reinforced סיליקון carbide, הם מונדסים לטמפרטורות קיצוניות. הביצועים הטריבולוגיים שלהם בטמפרטורות גבוהות (800-1400 מעלות צלזיוס) עולה על זה של superalloys עקב יציבות של שלבים קרמיקה ואת היווצרות של שכבות תחמוצת סיכה שופע על משטחים מזחלות. CMC , טורבינות ו קובוס נמוך יותר מ -0, כמו טמפרטורות יעילות הפעלה מופחתת, 000 טמפרטורות טמפרטורות קומפקטיות יותר.

Metal Matrix Composites (MMCs)

MMCs משלבת ממטריקס מתכת דוקטרילי (aluminum, titanium או נחושת) עם חיזוקים קרמיקה או פחמן קשה. עבור יישומים תלת-חמצני, MMCs מציעים התנגדות ללבוש מעולה בשל חלקיקים קשים המתנגדים לחסן ולהגן על מדמריצה רופפת יותר.אלומיניום MMCs מתחזק עם carbide או alumina משמשים רכיבי נחיתה, בלימה, משאבה הידראולית יכול להיות נמוך יותר מאשר סגסוגת טובה.

שילוב עצמי של Composites ומערכות היברידיות

תחום גדל של מחקר כולל הטמעת סיכה מוצקה ישירות לתוך הממטריקס המורכב.חומרים אלה self-lubricating לחסל את הצורך של שמן חיצוני או אספקה, קריטי בוואקום או במקומות בלתי נגישים. ⁇ מוצק משותף כוללים deulfide molybdenum (MoS2), tungsten disulfide (WS2), ו hexagonal viront niridet (BNh-S2), שילוב מנגנונים יציבים עם מנגנונים יציבים עם מנגנונים יציבים).

תכונות Tribological נמדדות וכיצד הם נבדקים

כדי להעריך חומרים מורכבים לשימוש אווירי, החוקרים מסתמכים על שיטות מבחן תלת-חמצני סטנדרטיות המדימות תנאי שירות.הנכסים העיקריים שנמדדו הם המקדם של חיכוך (COF), שיעור הלבוש הנפח, והתאמה של סיכה. הגדרות מבחן נפוצות כוללות הגדרות סימון-on-disk, חסימת-on-ring, ו-Reciproing tribometers בהתאם לסטנדרטים של ASTM (g, G1, G1, G.99.

Coefficient of Friction (COF)

COF מכשף את ההתנגדות לנפיחות בין שני משטחים מגע. עבור יישומי אווירופייס, COF נמוך ויציב רצוי להפחית את הדור החום, אובדן אנרגיה, ונזקי פני השטח. הרומן יכול להשיג ערכי COF מתחת ל-0.2 כאשר מותאם עם סיכה מוצקה, בעוד ⁇ מסורתיות בדרך כלל נע בין 0.4 ל 0.8 בלחיצת יבש.

חבות

התנגדות לבישת נמדדת כהפסד נפח ליחידה המתפתלת מרחק או כקצב לביש (mm3/Nm) Composites התחזק עם חלקיקים קרמיקה קשה או סיבי פחמן מפגינים שיעורי גודל נמוך יותר מאשר פולימרים או מתכות בלתי מאוישים. לדוגמה, סיבי פחמן-reinforced פחמן-reinforced פולימריד הראו שיעור לבוש של 1×10-6 מ"מ / Nm, בהשוואה ל-5 מ"מ"מ\N2/Nm ל-N) ל- 5.

המונחים:

מנגנונים אוויריים רבים פועלים עם מיצוי או שמן סיכה, אבל מרוכבים לא חייבים לטבול בנוכחות של אלה lubricants.verse, כמה מורכב נועדו לייבוש סיכה יבשה, להסתמך על היווצרות סרטים העברה.בדיקה כוללת הפעלת משולשים עם מועמדים lubricants והערכה של יציבות, ללבוש, וcorrosion עצמי-lubricating צורה זההעברת יתרון חיצוני של מסגרת אחורית.

תוצאות מחקר על ביצועים טריבולוגיים

מחקרים רבים תיעדו את ההתנהגות הטריבולוגית העליונה של תרכובות חדשות בהשוואה לחומרים קונבנציונליים של חלל.

Ceramic Matrix Composites בטמפרטורות גבוהות

מחקר שפורסם ב- 0.10.WearFLT:1 [21] בחן את SiC / SiC CMCs מזחלות נגד Inconel 718 ב 800°C. CMC הציג COF של 0.25 ו ללבוש רשלני לאחר 1000 מחזורים, בעוד האינטרול הראה ללבוש דבקים חמורים ותנודות COF מעל 0.6 היווצרות של שכבת מגן על פני השטח Cera היה מזוהה אפקטים של Ctemps.

שילוב עצמי של פולימר Composites ב Vacuum

חוקרים בסוכנות החלל האירופית בחנו פוליאטורלון (PEEK) המורכב מלא סיבים פחמן קצרים ו-PTFE עבור מנגנוני פריסת אנטנות לווינית.Industry (10-6 מ"ר), המסובייקט החזיק COF יציב של 0.08 מעל 100,000 מחזורים, עם סך שלל את העומק פחות מ 5 מיקרומטר.זה מבטלת את הצורך בזרימת, מפשטת גזים ומפחיתה את החששות.

Metal Matrix Composites for Landing Gear Fasteners

מחקר שנערך בשנת 2022 מאוניברסיטת אווירופייס מובילה העריך אלומיניום 6061 מטריצה התחזק עם 20 חלקיקים של סיליקון סיליקון סיליקון סיליקון.תחת בדיקות ללבוש מפשטות סימולציות מהיר, MMC הראה שיעור לבוש 15 פעמים נמוך יותר מאשר 6061 חסר כוח נשמר עקבי שימור לאחר 10,000 מחזורים.

Graphene-Enhanced Epoxy Composites

הוספת כמויות קטנות של ננו-platelets גרפן (0.5 wt%) לשלב epoxy matrix גדל עמידות ללבוש על ידי 70% ולהפחית COF על ידי 40% במבחן הגילוח יבש.ה גליונות גרפן פעלו כמו גם שלב מוצק וגלגל מחדש, במקביל שיפור תכונות טריבולוגיות מכניות. nanocomposites כאלה נחקרים עבור נושאים קלים במכוניות לא מאוישות.

השלכות על הנדסה אווירית

התכונות הטריבולוגיות המשופרות של תרכובות חדשניות מתרגמות ישירות להטבות הנדסיות המשתרעות על פני מספר תחומים אווירוקליים.

מנועים ומערכות הנעה

במנועי טורבינות גז, רכיבי CMC כגון לולאות אוויר חיצוניות להב טורבינות ו קובוסטורים חווים פחות ללבוש בטמפרטורות גבוהות, ומאפשרים נקה הדוקה יותר ודלפת טיפ מופחתת.זה משפר את יעילות המנועים ב-1–2% ומרחיב מרווחי יתר. בדומה, פולימרים מטבוליים עצמיים מורכבים משמשים במדממים אוויריים ומנגנוני גיאומטריה משתנים, צמצום חיכוך חיכוך וחיסול קווי אספקת שמן.

נחיתה ומהירות

מערכות ציוד נחיתה נתקלות בעומסי השפעה גבוהים וקידוד מגעים במהלך פריסה וריצה. MMC בושינגס ונושאות לספק ללבוש נמוך והתנגדות גירוד, שיפור חיי השירות וצמצום הסיכון של רכיב ג'ינג. Fasteners עשויים מחומרים מורכבים או עם ציפויים מורכבים למנוע היחלשות עצמית תחת רטט, גורם בטיחות קריטי בהתאספות אוויר.

Spacecraft and Satellite Mechanisms

בחלל, ביצועים תלת-לוגיים ישירות קובע את החיים של מערך השמש של לווין, מנגנוני הצבעה אנטנה, ומפרקים רובוטיים כולם נהנים מתרכובות של בידוד עצמי שפועלות באופן אמין בוואקום במשך שנים. השימוש במורכבים מבטל את המורכבות של חסימת סיכה נוזלית ויציאה מגראסינג, מפשטת עיצוב תרמי ואמינות מוגברת.

תחזוקה ומחזור חיים

שיעורי ללבוש נמוכים וחיכוך יציב פירושו מרווחים ארוכים יותר בין יתרות וצריכת חלקי חילוף מופחתת.עבור תעופה מסחרית, זה מתורגם למיליוני דולרים שנשמרו על פני צי בשנה. מערכות צבאיות ומרחב נהנים ממוכנות גבוהה יותר ונטל לוגיסטי נמוך יותר. החיסכון במשקל ממתחים (לעתים קרובות 20–40% יותר מרכיבי מתכת שווים) תורמים גם ליעילות דלק וקיבולת מטען.

כיוונים עתידיים וטכנולוגיות מתפתחות

תחום של תרכובות אווירו-מרחב מתפתח במהירות, מונע על ידי הצרכים של יכולת טמפרטורה גבוהה יותר, חיים ארוכים יותר, והתאמה של ייצור תוספים.

ננוקום ו-Gatephene Additives

חיזוקים ננומטריים כגון גרפן, צינורות פחמן, ו-Boron nitride ננוגליונות מציעים שיפורים דרמטיים בביצועים תלת-אבולוגיים ברמות טעינה נמוכות מאוד.היכולת שלהם ליצור סרטים העברה דקים, מזעזעים על פניות יכול להפחית את משככי החיכוך ל-0.5 או נמוך יותר.מחקר מתמשך מתמקד בפיזור ננוחומרים אלה בפולימרים וקרמיקה ללא תכונות אחרות.

משטחים גמישים וחכמים

בהשראת מערכות ביולוגיות, תרכובות הסתגלות שמשנות את התגובה הטריבולוגית שלהם בהתבסס על טמפרטורה או לחץ מגע נמצאים בפיתוח.לדוגמה, פולימרים thermoresponsive יכול לשחרר סיכה מוצק כאשר מחומם מעל סף, צמצום החיכוך במהלך עומסי שיא. חומרים כאלה יכולים לחקות את הדימום הטבעי של מפרקים סינבוניים ולספק על סיכה מבוקשת במנגנונים בחלל.

ייצור תוספת של Tribological Composites

הדפסה תלת מימדית של תרכובות מאפשר גיאומטריות מורכבות ורכבות כיתה שאינם אפשריים עם ייצור קונבנציונלי. חוקרים לחקור ייצור מפואר מבולבל של תרכובות פולימרים עם סיכה מוצקה, כמו גם מקלה סילון של תרכובות קרמיקה-מטאלי.

בדיקות וסימציה בתנאים אמיתיים

כדי לשפר את יכולת החיזוי, סוכנויות אוויריות כמו נאס"א ו- ESA מפתחים תלת-מונים שמשכפלים בין תנאי תרמית, ואקום וקרינה.FLT:0) מרכז המחקר גלן של נאס"א ו- ESA 1 ביצע בדיקות נרחבות על סיכה מוצקה ומורכבים עבור מנגנוני חישוב גבוהים משמשים גם כדי לדמות כמו מגעים לבשתיים ואבולוציה, צמצום הצורך הנייקר עבור מנגנונים חישוביים.

שיתוף פעולה עם תעשייה ואקדמיה

תוכניות כגון Horizon אירופה של האיחוד האירופי וסוכנות המחקר המתקדמת של ארה"ב (DARPA) לממן פרויקטים משותפים בין אוניברסיטאות, מעבדות לאומיות ויצרניות חלל כדי להאיץ את פריסת של תרכובות טריבולוגיות מתקדמות.לדוגמה, קרן FLT:0FLT:1Tribology InternationalFLT:2cioFLT 3 מפרסם בקביעות נושאים מיוחדים על חלל, המספקים מידע.

מסקנה

המאפיינים הטריביולוגיים של חומרים מורכבים חדשים מייצגים מאפשר קריטי לדור הבא של מערכות אווירוקל. על ידי שילוב של מזחלות קלים עם חיזוקים מותאמים, חומרים אלה להשיג משככי חיכוך ושיעורי ללבוש כי באופן משמעותי על סגסוגת קונבנציונלית.ממממאטריקס חומרים עמידים מנוע סילון מופרכים לפולימרים עצמיים כי לתפקד ללא פגע בוול של החלל, טווח היישומים המהירים להמשיך לפתח עוד יותר בחלל.