کاربرد امروزی مواد کامپوزیت - بخش دوم

کاربردهای امروزی مواد کامپوزیتی چیست؟

بخش دوم

کاربردهای FRP در صنعت هوافضا: نوآوری‌ها و مطالعات موردی

کامپوزیت‌های پلیمری تقویت ‌شده با الیاف (FRP) به دلیل نسبت استحکام به وزن استثنایی، مقاومت در برابر خوردگی و انعطاف ‌پذیری در طراحی صنعت هوافضا را متحول کرده‌اند. این مواد به بخش جدایی ‌ناپذیر هواپیماهای تجاری و نظامی، وسایل نقلیه اکتشاف فضایی و هواپیماهای برقی نوظهور با قابلیت عمود پرواز الکترونیکی (eVTOL) تبدیل شده‌اند.

کامپوزیت‌های FRP، به ویژه پلیمرهای تقویت‌ شده با الیاف کربن (CFRP)، به طور گسترده در سازه‌های اصلی هواپیما مورد استفاده قرار می‌گیرند از جمله:

1. بدنه‌ها: تقریبا 50 درصد وزنی بدنه بوئینگ ۷۸۷ دریم‌ لاینر از مواد کامپوزیتی تشکیل شده است که بخش قابل توجهی از آن شامل CFRP است. بدنه‌های CFRP افزایش فشار و رطوبت کابین، کاهش وزن، بهبود راندمان سوخت و افزایش راحتی مسافران را به همراه دارند.

2. بال‌ها: در ساخت بال‌های هواپیماهای مدرن به طور گسترده از CFRP استفاده می‌شود که امکان طراحی آیرودینامیکی کارآمدتر و کاهش وزن را فراهم می‌کند. ایرباس A350 XWB دارای بال‌هایی است که ۵۴ درصد آنها از مواد کامپوزیتی ساخته شده‌اند و به بهره‌ وری سوخت آن نیز کمک می‌کنند.

3. مجموعه‌های دم هواپیما: تثبیت ‌کننده‌های عمودی و افقی اغلب با استفاده از کامپوزیت‌های FRP ساخته می‌شوند که باعث صرفه‌ جویی در وزن و بهبود راندمان سطح کنترل می‌شود. طراحی و ساخت این سازه‌های پیچیده اغلب شامل تکنیک‌های پیشرفته‌ای مانند جایگذاری خودکار فیبر (AFP) است.

4. اجزای داخلی: پلیمرهای تقویت ‌شده با الیاف شیشه (GFRP) معمولا برای عناصر داخلی غیرسازه‌ای استفاده می‌شوند همچون:

الف. سطل‌های بالای سر: مخازن سقفی سبک GFRP ظرفیت ذخیره‌ سازی را افزایش داده و در عین حال، وزن کلی هواپیما را کاهش می‌دهند.

ب. پنل‌های کف: پنل‌های کف کامپوزیت نسبت مقاومت به وزن عالی و دوام بهبود یافته‌ای در مقایسه با مصالح سنتی دارند.

پ. سازه‌های صندلی: کامپوزیت‌های FRP در قاب‌ها و اجزای صندلی استفاده می‌شوند که علاوه بر کاهش وزن، امکان طراحی‌های ارگونومیک‌ تر را فراهم می‌کنند. این اجزا اغلب از ساختارهای ساندویچی برای دستیابی به ویژگی‌های بهینه استحکام و وزن استفاده می‌کنند.

5. قطعات موتور: کامپوزیت‌های پیشرفته از جمله کامپوزیت‌های زمینه سرامیکی (CMC) به طور فزاینده‌ای در اجزای موتور جت مورد استفاده قرار می‌گیرند همچون:

الف. پره‌های فن: پره‌های فن CFRP موجب کاهش وزن و بهبود عملکرد در موتورهای توربوفن مدرن می‌شوند.

ب. نازل‌های موتور: نازل‌های کامپوزیتی ضمن تحمل دمای بالا، میرایی صوتی و صرفه‌ جویی در وزن را فراهم می‌کنند.

پ. معکوس‌ کننده‌های رانش: استفاده از FRP در معکوس ‌کننده‌های رانش، کاهش وزن و بهبود دوام را به همراه دارد. ساخت این قطعات پیچیده موتور اغلب به تکنیک‌ها و تجهیزات تخصصی نیاز دارد.

کاربردهای فضایی کامپوزیت‌های FRP

کامپوزیت‌های FRP نقش حیاتی در ساخت وسایل نقلیه اکتشاف فضایی و ماهواره‌ها ایفا می‌کنند.

1. سازه‌های ماهواره‌ای: کامپوزیت‌ها به دلیل سختی ویژه بالا و پایداری ابعادی در تغییرات شدید دما، در ساخت سازه‌های شاتل فضایی، پنل‌های خورشیدی و بازتابنده‌های آنتن استفاده می‌شوند. برای مثال، آنتن دنده پیچیده شده باند X که توسط شرکت آکسفورد اسپیس سیستم توسعه داده شده است، دارای یک بازتابنده سهموی به قطر ۲.۷ متر است که توسط ۴۸ عضو منحنی فنر-نوار (CTM) کامپوزیت CFRP پشتیبانی می‌شود.

2. لانچرها: کامپوزیت‌های FRP در قاب‌های محافظ، میان‌ طبقه‌ها و مخازن سوخت موشک‌ها به کار می‌روند. در ساخت موشک فالکون ۹ اسپیس ایکس از یک کامپوزیت فیبر کربنی بین طبقه‌ای استفاده شده است که به قابلیت استفاده مجدد و عملکرد آن کمک می‌کند.

3. اجزای فضاپیما: کامپوزیت‌های پیشرفته در سپرهای حرارتی مانند کند کننده کربن آغشته به فنول (PICA) که در ماموریت آزمایشگاه علوم مریخ مورد استفاده قرار گرفت، استفاده می‌شوند. مواد FRP همچنین در اجزای سازه‌ای فضاپیماها استفاده شده و باعث صرفه‌ جویی در وزن می‌شوند که برای ماموریت‌های اعماق فضا بسیار مهم است. شرایط سخت فضایی، آزمایشات تخصصی و فرآیندهای صدور گواهینامه برای این اجزا را ضروری می‌سازد.

4. سازه‌های کامپوزیتی eVTOL: کامپوزیت‌های FRP به عنوان مواد حیاتی در حوزه به سرعت درحال تکامل هواپیماهای برقی با قابلیت عمود پرواز الکترونیکی (eVTOL) که اغلب به عنوان تاکسی‌های پرنده شناخته می‌شوند، ظهور کرده‌اند.

الف. ساخت بدنه هواپیما: پلیمرهای تقویت ‌شده با فیبر کربن (CFRP) کاربرد فراوانی در ساخت بدنه هواپیماهای عمود پرواز الکترونیکی (eVTOL) استفاده می‌شوند. برای مثال، در ساخت هواپیمای Joby Aviation S4 eVTOL از بدنه کامپوزیت کربنی برای دستیابی به ویژگی‌های عملکردی چشمگیر خود استفاده می‌شود.

ب. سطوح بال و بالابر: کامپوزیت‌های FRP امکان طراحی سطوح آیرودینامیکی کارآمد را فراهم می‌کنند که می‌توانند بین حالت‌های پرواز عمودی و رو به جلو تغییر حالت دهند. ماهیت سبک CFRP امکان افزایش ظرفیت بار و برد پرواز را فراهم می‌کند که از عوامل حیاتی در کاربردهای حمل و نقل هوایی شهری محسوب می‌شوند.

پ. پروانه‌ها و روتورها: پره‌های روتور CFRP تعادل بهینه‌ای از استحکام، سختی و وزن فراهم می‌کنند که برای سیستم‌های روتور چندگانه معمول در طراحی‌های eVTOL بسیار مهم است. این اجزا از نسبت بالای سفتی به وزن کامپوزیت‌ها بهره‌مند می‌شوند که امکان انتقال انرژی کارآمد و کاهش ارتعاش را فراهم می‌کند.

ج. اجزای داخلی: از کامپوزیت‌های FRP در ساخت صندلی‌های سبک و در عین حال، محکم برای سرنشینان و پنل‌های داخلی استفاده می‌شود. این مواد انعطاف ‌پذیری بالایی در طراحی داشته و امکان ایجاد فضای داخلی ساده و زیبا را فراهم می‌کنند که استفاده از فضا را به حداکثر می‌رساند. طراحی و ساخت قطعات eVTOL اغلب از تکنیک‌های پیشرفته تولید برای دستیابی به ویژگی‌های عملکردی مورد نیاز بهره می‌برد.

پیشرفت‌ها و کاربردهای اخیر کامپوزیت‌های FRP

1. سیستم بادبان خورشیدی کامپوزیت پیشرفته ناسا: ناسا یک سیستم بادبان خورشیدی کامپوزیت پیشرفته با استفاده از فیبر کربن و پلیمرها برای مقاومت در برابر شرایط محیطی شدید توسعه داده است. این بادبان خورشیدی نسل بعدی با استفاده از فشار نور خورشید برای نیروی محرکه، جایگزین سیستم‌های رانش سنگین سنتی می‌شود. این بوم جدید که با مواد پلیمری انعطاف ‌پذیر و فیبر کربن ساخته شده است، سفت‌تر و سبک‌تر از مدل‌های قبلی است و دوام و استحکام را برای محیط‌های فضایی چالش‌ برانگیز بهبود می‌بخشد.

2. سپر حرارتی مریخ‌ نورد مارس ۲۰۲۰: لاکهید مارتین با استفاده از سیستم حفاظت حرارتی کاشی ‌کاری شده‌ کربن آغشته به فنول (PICA) یک سپر حرارتی برای محافظت از مریخ ‌نورد مارس 2020 در طول سفرش به مریخ توسعه داد. این پوسته‌ هوایی، بزرگترین پوسته‌ای که تاکنون برای یک مأموریت سیاره‌ای ساخته شده است و قطری نزدیک به ۱۵ فوت دارد. همچنین  برای محافظت از مریخ‌نورد در برابر دمای تا ۳۸۰۰ درجه فارنهایت در طول ورود، پرواز و فرود (EDL) طراحی شده است.

3. فناوری‌های ساخت‌ و ساز سیاره‌ای: ناسا در حال توسعه فناوری‌های جدید ساخت ‌و ساز سیاره‌ای با استفاده از مواد پیشرفته به منظور ساخت سازه‌ها در ماه است. آنها با همکاری کارخانه فضایی هوش مصنوعی در حال ساخت ماده جدیدی برای چاپ سه ‌بعدی با استفاده از رگولیت شبیه‌ سازی ‌شده ماه هستند. این رویکرد نوآورانه با هدف ایجاد زیستگاه‌های پایدار برای اکتشافات آینده ماه و ماموریت‌های مریخ انجام می‌شود.

4. کامپوزیت‌های ترموپلاستیک در فضای داخلی هواپیما: تیمی از محققان AIM Altitude، Composites Evolution Limited و دانشگاه شفیلد هالام یک سیستم رزین ترموست منحصر به فرد برای استفاده در قطعات داخلی هواپیما توسعه داده‌اند. این ماده نانوکامپوزیتی، بر پایه پلی ‌فورفوریل الکل (PFA)، خواص مکانیکی عالی مشابه رزین‌های فنلی اما بدون ترکیبات سمی ارائه می‌دهد و مقاومت در برابر آتش و گزینه‌های پرداخت سطحی بهبود یافته‌ای را نیز فراهم می‌کند.