Uzaylı Yapısal Bileşenlerdeki Termal Olarak Davranışlı Polimerlerin Kullanımı

Uzaylı Mühendislikte Termal Olarak Davranışlı Polimerlerin Rolü

Her uzay aracı, iki meydan okuma ile karşı karşıya kalır: Yeni bir malzeme sınıfı haline gelmek mümkün olduğunca hafif olmalıdır, ancak havacılık mühendisleri arasında hızla ısıtılır. Bu plastikler, metalik olmayan noktalarla ısıtılırken hassas elektronik ve yapısal hafif noktalarda belirleyici bir rol oynar.For space and ticari operatörlerin bir kısmı daha küçük uydulara, görevlere ve daha uzun süre boyunca, daha uzun süre boyunca, daha yüksek boşluklara doğru iter.

Termal olarak iletken polimerler tam olarak bu kombinasyonu sunar. Bir polimer matrisi (örneğin poliamid, polikarbonat veya sıvı kristal polimer) termal olarak iletken olarak karbon fiber, grafik, boron nitrit veya seramik partikülleri gibi, üreticiler bu makaleyi metal işlemeden elde etmek için etkili bir şekilde üretebilirler. Bu makale, bu polimerlerin korozyona karşı dayanıklı, elektriksel olarak teşvik edici avantajların nasıl kullanıldığını araştırır ve gelecekteki bu avantajların ne kadar pahalı olacağını araştırır.

Termal Olarak Davranışlı Polimerleri Anlamak

Temellerinde, termal iletken polimerler kompozitlerdir. Temel polimerler -tipik olarak termoplastik veya termoset reçinesi - matrix olarak yapılır, mekanik güç, sertlik ve proses edilebilirlik sağlar.Kendisinde, çoğu polimer, nanotüpler, grafikler, grafiklere ulaşırken, kristaller / yüksek çözünürlükte, 30-5000 W /m / x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x

Bu kompozitlerde ısı geçişi mekanizması percolasyondur: Ekstra parçacıklar yoğun olarak paketlenmiş olduğunda, phonons (ve karbon dolumları durumunda) ve bazı üreticiler de hibrit dolgular (kombinasyon, yönlendirme ve maliyetle) bir malzemeye bağlıdır.

Sitede kullanılan standart alüminyum alaşımlar, aynı hacim için 120-200 W /m·K'nın etrafındaki termal iletkenliklere sahiptir, ancak doğrudan daha düşük bir ortamdaki maliyetlerin -özellikle de düşük Dünya yörüngesine kadar 10.000 $ ila 10.000 $ 'a kadar, derin uzay görevlerinin ağırlığının azaltılması anlamına gelir.

Spacecraft Design için Anahtar Avantajlar

Önemli Kilo Azaltımı

Metalden termal olarak iletken polimere geçişin en acil avantajı ağırlık tasarrufudur. Bir yapısal para, ısı battı veya alüminyumda 200 gram daha fazla ücret alınabileceği bir sabit bütçede sadece 100-120 gram ağırlığında.Küçük CubeSats ve mikrosatellitler için, kütle marjlarının son derece sıkı olduğu, termal iletkenler haline gelir.

Korozyon Direnişi ve Uzun

Uzaylı, kimyasal olarak agresif olabilecek ortamlarda çalışır - düşük Dünya yörüngesinde atomik oksijen, yüksek enerjili radyasyon ve aşırı sıcak havalimanları arasındaki termal bisiklet, özellikle de uzun vadeli yüzeyler için uygun hale getirmek için hassastır.Bu korozyon direncin varlığıyla, aksine, bakımsız bir şekilde azalır ve uzun süre boyunca uzaydan gelen uzaydan uzak durmaya karşı dayanıklı bir şekilde çalışır.

Üstün ısı Yönetimi

Etkili termal yönetim uzayda kritiktir. Konveksiyon olmadan, ısı sağlam malzemeler veya radiated uzaklar aracılığıyla yapılmalıdır. Termal olarak iletken polimerler, konutlar ve yüksek enerji elektroniklerinden özel radyatörlere kadar ısıya kadar ısıtılabilirler. Bazı bileşikler, ısı iletkenliklerine daha düşükken - daha fazla ısıtılırlar.

Tasarım Özgürlüğü ve İmalat Verimliliği

Termal iletken polimerlerin enjeksiyonu karmaşık geometrilere olanak sağlar - duvarları, iç kanallar, monte patronlar ve makyaj özellikleri - bu tasarım özgürlüğüne makineyi metalden uzaklaştırmak için pahalı olacaktır. Sonuç, daha hafif, daha güvenilir ve daha kolay bir şekilde montaj araçlarına sahiptir. Örneğin, tek bir kalıplı polimerler bir elektronik tahta ve bir ısı yayıcısı olarak hizmet edebilir - bu tasarım özgürlüğüne ihtiyaçtır.

Titreşim Damping ve Azaltıl

Polimerler doğal olarak metallerden daha iyi titrer. Bir başlangıç ortamında, sert vibrasyonlu yüklerin ortak olduğu, polimer bileşenleri enerji absorbe edebilir ve yorgunluk yetmezliği riskini azaltır. Bu damping özelliği, uzay aracı sırasında hassas optikleri, aletleri ve elektrik bağlantılarını korumak için yardımcı olur.

Uzaylı Bileşenlerde Özel Uygulamalar

Elektronik Enkürler ve Konutlar

Sıcaklıklı iletken polimerlerin en yaygın kullanımlarından biri, onboard elektronikleri için muhafaza edilir. Uydular iletişim için düzinelerce devre kurulu taşır, veri işleme, tutum kontrolü ve ödeme işlemi.Her yönetim, hafif elektromanyetik koruyucular sağlar (eğer karbon dolu), ve şimdiye kadar çeşitli polimerleri kullanarak, yüksek çözünürlükte ısıtılabilir.

Termal Interface Malzemeler

Termal olarak iletken polimerler de termal arayüz malzemeleri olarak kullanılır (TIMs) - bir ısı kaynağı arasındaki boşluğu dolduran katmanlar (enerji transistör gibi) ve bir ısı lavabosu. Geleneksel yağlardan veya pedlerden farklı olarak, polimer tabanlı TIMs, zeminlere ve kalınlıklara izin verebilir, daha tutarlı bir bağlantı sağlar.Soruları daha büyük bir yapısal parçaya entegre etmek için daha iyi bir başarısızlık modudur.

Yapısal Brackets ve Panel

Bu parçalar ısıyı yönetirken mekanik yükler transfer etmelidir. Örneğin, bir reaksiyon tekerleğine dayanacak bir para ve ısı torklama ihtiyacı olan bir eki oluşturabilir ve aynı zamanda bir parçaya sahip olan ısıyı da devre dışı bırakabilir.Demek için bir polimer kompozitleri kullanarak, karbon fiber takviyeli (enerji için) ve grafiklere sahip bir yedekleyebilir.

Yalıtım Katmanları ve Radyatör Yüzeyler

Tüm uzay aracı bileşenleri ısıtılması gerekmez; bazıları sıcak veya termal olarak izole edilmelidir. Termal olarak iletken polimerler, eklenebilirlik için aynı temel materyalin hem yalıtım hem de elektriksel iletkenliğine (~0.3 W /m·K) yaklaşarak, onları iyi yükleme paneller yaparak mükemmel iletkenler haline getirirler.

Battery Casings ve Power System Bileşenler

Piller şarj ve deşarj döngüleri sırasında önemli ısı yaratır ve bazı tasarımların dar bir sıcaklık aralığında tutulması gerekir. Termal olarak iletken polimerler batarya modülleri için betonarme sağlar, hatta tümleşik hafif termal yönetim sistemi yaratırlar. Derin uzaylar için de elektrik yalıtım sağlarlar, bu tür entegre tasarımları özellikle çekicidir.

Meydanlar ve Sınırlar

Termal Davranış

Gelişlere rağmen, termal olarak iletken polimerler hala bakır gibi yüksek performanslı metallerin termal iletkenliğini eşleştiremez (400 W/m·K) veya hatta alüminyum (200 W /m·K) için çok yüksek ısı fluxes (örneğin, yüksek performanslı RF yükselteçleri) ve yüksek performanslı RF yükselteçleri ile karşı karşıya kalmaları gereken bileşenler için, metal daha iyi seçim olmaya devam eder.

Outgassing ve Contamination

Uzayın vakumunda, malzemeler uçucu bileşikleri serbest bırakabilir - NASA'nın standartlaştırılmış olduğu bir fenomen, optik, güneş hücreleri veya termal kontrol kaplamaları gibi hassas yüzeyler üzerinde yoğunlaşabilir, yüksek çözünürlükte performanslar artırılır.Pekizleyiciler, her uçuş kullanımından önce düşük performans testleri için formüle edilir.

Mekanik Performansı Termal Bisiklet Altında

Uzaylı deneyim sıcaklığı -150 °C'den güneş ışığıyla (ve hatta daha derin uzay araştırmaları için daha aşırı aralıklar) ısı genişleme (CTE) polimerlerin katlanması (örneğin, fiber, metal bileşenlerine uygun olarak potansiyel bir uyum stresine yol açan) ve optik arayüzlere uygun olarak, mikrokahkahalar altında tekrarlanan, veya bu durumu polimer parçaları kullanarak azaltmaktadır.

İmalat Konsolosluğu ve Maliyet

Termal iletken özellikleri olan polimer kompozitleri azaltmak önemsiz değildir.Süresel dağıtım, yönlendirme ve parçacık büyüklüğü dağılımı, termal iletkenlikteki toplam sistem ağırlığının arttırılmasını göz önünde bulundurmak için, her toplu ücret için bir bütçeye uygun olmalıdır.Özellikle karbont veya boron nitride nanotüpler) maliyetleri yüksek olabilir.

Devam Eden Araştırma ve Future Developments

Nanocompositler ve Gelişmiş Havuzlar

Araştırma laboratuvarları, ısı iletkenliği artırabilecek bir sonraki nesil dolguları keşfediyor. Graphene nanotüpler, karbon nanotüpler (CNTs), ve boron nitride nanotüpler (BNNTs) daha yüksek intrinsic iletkenliği ve daha düşük yükleme seviyelerinde percolasyon ağlarını şekillendirebilecek, örneğin, polimerlerin mekanik özelliklerini korumak için, 30 W /m·K. Bazı araştırmacılar, 30'un üzerinde ısıtılabilirken, 100 W / m'yi bir yönde kapatabilecek kadar yüksek çözünürlükte bulunan CNT ormanları geliştiriyorlar.

3D Printing of Conductive Materials Parçalar

Ek olarak, ısıtıcı filamentler ile birlikte imal edilen üretim (3D baskı), yüksek çözünürlükte bir trenddir.FDM) özel, karmaşık geometrilerin talep üzerine üretilmesine izin verir - tek taraflı uydu bileşenleri veya hızlı prototipleme için.Yeni filamentler, fiber veya grafikler içeren yeni bir ısıtılmış mimariler, 5–15 W /m·K. çok boyutlu baskı ile birlikte (örneğin, sabit parçalara eklenebilir)

Akıllı Malzeme ve Sensörlerle entegrasyon

Gelecekteki uzay aracı sıcaklık sensörleri, ısıtıcılar veya hatta mikrofluidic kanalları doğrudan yapısal polimer bileşenlerine sahip olabilir. Termal olarak iletken polimerler, bu tür entegrasyonlarla doğal olarak uyumludur, çünkü onlar, polimerde yer alan faz-dönüşüm materyalleri kullanarak.Bu gelişme, ayrı kablo veya donanım eklemeden önce kontrole izin verir. Araştırma, “akıllı” yapısal iletkenliğinizi değiştirerek, ısı iletkenliğinizi değiştirebilir veya kullanarak, polimerler.

Derin Uzay ve Aşırı Çevreler

Görevler Ay'ı hedef alıyor, Mars ve ötesinde, malzemeler yüksek radyasyon seviyelerine, toz aşınmaya ve aşırı sıcaklık gradients. Termal olarak iletken polimerler Ay arazileri ve rovers'ta kullanılmak üzere test edilir, hafif radyatörler ve toz konutlar gereklidir. Avrupa Uzay Ajansı'nın da belirttiği gibi:0) Mart gecesi 3'te termal yönetim için kullanılan polimerler [Düzükleerli sistemlerde) ve s.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Termal olarak iletken polimerler laboratuvarın ötesine geçti ve şimdi operasyonel uzay aracı üzerinde akış var. Işık ağırlığı, korozyon direnci, tasarım esnekliği ve terzitif termal iletkenlik onları boş performans, kütle ve maliyetle donatılmış mühendisler için güçlü bir araç haline getirir.

Zorluklar - manyetik iletkenlik sınırları, outgassing, CTE yanlış bir uyum ve üretim tutarlılığı - devam eden bir araştırma tarafından ele alınacaktır. Nanocompositenin sadece metalden ve katkı üretimi standart bir uygulama haline gelir, iletken polimerlerin performansı tavanı yükselecektir.For space and private companies, and production consistent in these modern material is not just an option but a critical necessary.