کاربردهای مواد سرامیکی پیشرفته

کاربردها در هواپیماهای پرسرعت

هواپیماهای پرسرعت تجهیزات استراتژیکی هستند که قدرت‌های بزرگ نظامی برای توسعه آنها رقابت می‌کنند. پرواز مافوق صوت و ساختارهای تیز آنها منجر به مشکلات جدی گرمایش آیرودینامیکی می‌شود. محیط حرارتی معمول برای هواپیماهای پرسرعت شامل دماهای بالا و بارهای ترمومکانیکی پیچیده و سخت است. آلیاژهای دمای بالای موجود دیگر نمی‌توانند الزامات را برآورده کنند و منجر به ظهور کامپوزیت‌های ماتریس سرامیکی می‌شوند. به طور خاص، مواد سرامیکی کامپوزیت SiCf/SiC به طور گسترده در اجزای ساختاری داغ مانند پره‌های توربین، پره‌های راهنمای نازل و حلقه‌های بیرونی توربین موتورهای هوایی استفاده شده‌اند. چگالی مواد کامپوزیت آنها تقریباً 1/4 آلیاژهای دمای بالا است که منجر به کاهش قابل توجه وزن می‌شود. علاوه بر این، آنها می‌توانند در دماهای تا 1400 درجه سانتیگراد کار کنند و طراحی سیستم خنک‌کننده را تا حد زیادی ساده کرده و نیروی رانش را افزایش دهند.

کاربردها در زره سبک

زره کامپوزیت سبک برای حفظ بقای تجهیزات مدرن بسیار مهم است. توسعه الیاف سرامیکی و کامپوزیت‌های ماتریس سرامیکی تقویت شده با الیاف برای کاربرد زره کامپوزیت سبک وزن اساسی است. در حال حاضر، مواد سرامیکی محافظ اصلی مورد استفاده شامل B4C، Al2O3، SiC و Si3N4 هستند. سرامیک‌های کاربید سیلیکون، با خواص مکانیکی عالی و مقرون به صرفه بودن، به یکی از امیدوارکننده‌ترین مواد سرامیکی ضد گلوله تبدیل شده‌اند. کاربردهای متنوع آنها در زمینه‌های مختلف حفاظت از زره، از جمله تجهیزات انفرادی سربازان، سلاح‌های زرهی ارتش، هلیکوپترهای مسلح، پلیس و وسایل نقلیه ویژه غیرنظامی، چشم‌اندازهای کاربردی گسترده‌ای به آنها می‌دهد. در مقایسه با سرامیک‌های Al2O3، سرامیک‌های SiC چگالی کمتری دارند که برای بهبود تحرک تجهیزات مفید است.

کاربردها در سلاح‌های کوچک

سلاح‌های کوچک، به عنوان یک جزء مهم سلاح، عموماً شامل تپانچه، تفنگ، مسلسل، نارنجک‌انداز و تجهیزات انفرادی ویژه (راکت‌اندازهای انفرادی، موشک‌های انفرادی و غیره) هستند. عملکرد اصلی آنها پرتاب پرتابه‌ها به منطقه هدف برای کشتن یا نابودی اهداف دشمن است. شرایط عملیاتی سلاح‌های کوچک شامل دمای بالا، دمای پایین، ارتفاع زیاد، گرمای مرطوب، گرد و غبار، باران، گرد و غبار-باران، اسپری نمک و غوطه‌وری در آب رودخانه است. مقاومت در برابر خوردگی بسیار مهم است. در حال حاضر، فرآیندهای اصلی ضد خوردگی برای سلاح‌های کوچک شامل آبی کردن، آنودایزینگ سخت، فناوری نفوذ کنترل‌شده یونی، پوشش‌های کربنی شبه الماس و نیتریداسیون پلاسمایی است. به ویژه برای سلاح‌ها و تجهیزات مورد استفاده در محیط‌های دریایی، نیاز به مقاومت در برابر خوردگی در محیط‌های اسپری نمکی برای بیش از ۵۰۰ ساعت، چالش قابل توجهی را برای روش‌های سنتی پوشش‌دهی ایجاد می‌کند.

کاربردها در لوله‌های تفنگ

لوله تفنگ یکی از اجزای اصلی سلاح‌های پرتابی است. ساختار داخلی لوله تفنگ شامل محفظه، مخروط فشار و لوله تفنگ است که محفظه و لوله تفنگ توسط مخروط فشار به هم متصل می‌شوند. لوله‌های تفنگ سنتی عموماً از فولاد آلیاژی با استحکام بالا ساخته می‌شوند. در حین شلیک، داخل لوله تفنگ در معرض اثرات ترکیبی گازهای پیشران و پرتابه‌ها قرار می‌گیرد که منجر به ترک و جدا شدن پوشش روی دیواره داخلی لوله می‌شود. آسیب به لوله تفنگ نتیجه اثر مکرر گازهای پیشران و پرتابه‌های با دمای بالا، فشار بالا و سرعت بالا روی دیواره لوله است. مخروط فشاری و دهانه معمولاً اولین قسمت‌هایی هستند که خراب می‌شوند.

برای بهبود عمر لوله تفنگ، آبکاری کروم لوله رایج‌ترین روش است، اما دمای مقاومت در برابر اکسیداسیون لایه آبکاری کروم از ۵۰۰ درجه سانتیگراد تجاوز نمی‌کند. با افزایش مداوم فشار محفظه در حین شلیک و افزایش نمایی الزامات عمر لوله تفنگ، فشار و دمای تحمل شده توسط لوله تفنگ نیز در حال افزایش است. استفاده از سختی بالا، استحکام بالا و خنثی بودن شیمیایی در دمای بالا از سرامیک‌ها می‌تواند به طور موثری فرسایش لوله تفنگ را کاهش داده و عمر مفید آن را افزایش دهد.

کاربردها در مهمات

اجزای اصلی مهمات، کلاهک و فیوز هستند. کلاهک به عنوان مستقیم‌ترین جزء برای ایجاد آسیب، عمدتاً از غلاف، عناصر ترکش‌زا، خرج انفجاری و فیوز تشکیل شده است. بهبود مداوم کشندگی کلاهک همیشه هدفی بوده است که در توسعه سلاح دنبال می‌شود. به ویژه برای نارنجک‌های اثر ناحیه‌ای، ترکش‌های تولید شده توسط انفجار کلاهک، عناصر کشنده نهایی هستند و فناوری کارآمد ترکش‌زا همیشه یک چالش تحقیقاتی در این زمینه بوده است.