مواد هوافضا

مواد هوافضا

انتخاب مناسب‌ترین ماده برای ساخت قطعات هوافضا یکی از حساس‌ترین تصمیمات در فرآیند طراحی است. هر گرم وزن قطعه نهایی بر مصرف سوخت تأثیر می‌گذارد؛ هرگونه محدودیت در مقاومت حرارتی می‌تواند صلاحیت قطعه برای دریافت گواهینامه را به خطر بیندازد و حتی هر انتخاب می‌تواند پیامدهای مستقیمی بر گواهی صلاحیت پرواز دارد. در صنعت هوافضا، انتخاب مواد تابع معیارهای سختگیرانه‌ای است: به حداکثر رساندن نسبت استحکام به وزن، تضمین عملکرد مطمئن در شرایط دشوار، رعایت مقررات و الزامات اشتعال پذیری، سمیّت و پدیده گازدهی (Outgassing). در اینجا به مقایسه مواد پیشرفته و با عملکرد بالای موجود در صنعت هوافضا می‌پردازیم؛ از پلیمرهای مهندسی سازه‌ای مانند PA11 و PA12 گرفته تا ابرپلیمرهایی مانند پلی اتر اترکتون (PEEK)، PEEK CF، PEEK GF و PPS CF. پنج معیار اساسی در این زمینه وجود دارد:

1. وزن مخصوص پایین: صرفه‌ جویی در هر کیلوگرم وزن یک هواپیمای تجاری می‌تواند به معنای کاهش هزاران لیتر مصرف سوخت در طول عمر عملیاتی آن باشد. در مورد ماهواره‌ها، این مزیت حتی چشمگیرتر است زیرا کاهش جرم مستقیم بر هزینه‌های پرتاب تأثیر می‌گذارد؛ هزینه‌هایی که ممکن است به ۲۰,۰۰۰ یورو به ازای هر کیلوگرم برسد.

2. نسبت بالای استحکام به وزن: این یکی از معیارهای اصلی ارزیابی در حوزه هوافضا است. موادی که دارای استحکام ویژه (نسبت بالای استحکام مکانیکی به چگالی) بالایی هستند در اولویت قرار دارند.

3. مقاومت حرارتی: قطعات هوافضا ممکن است در معرض دامنه‌های دمایی بسیار وسیعی قرار گیرند؛ از حدود ۱۵۰- درجه سانتیگراد در فضای عمیق تا بیش از ۲۰۰ درجه سانتیگراد در نواحی نزدیک به موتور یا سایر منابع حرارتی.

4. مقاومت شیمیایی: مواد باید عملکرد خود را حتی در مجاورت سوخت‌ها، روغن‌های هیدرولیک، مایعات یخ ‌زدا، ازن، پرتوهای فرابنفش و پرتوهای کیهانی حفظ کنند.

5. گواهینامه‌ها: انطباق با مقررات یک الزام حیاتی است. برای قطعاتی که در کابین استفاده می‌شوند، الزامات استاندارد در خصوص اشتعال‌ پذیری، دود و سمیّت حائز اهمیت است. از سوی دیگر، در کاربردهای فضایی، کنترل پدیده گازدهی امری حیاتی است؛ به‌طوری که مقادیر TML باید کمتر از ۱ درصد و مقادیر CVCM نیز کمتر از ۰٫۱ درصد باشند.

علاوه بر این معیارهای اصلی، باید مواردی همچون مقاومت در برابر خستگی، مقاومت در برابر ضربه (برای مثال در صورت برخورد پرنده یا ریزشهاب‌ سنگ‌ها)، سازگاری با روش‌های ساخت افزایشی (که در این صنعت به‌طور فزاینده‌ای رواج یافته است) و قابلیت ردیابی کامل محموله (بچ) نیز مد نظر قرار گیرند.

چرا پلیمرها در صنعت هوافضا جایگزین فلزات می‌شوند؟

پدیده جایگزینی فلزات (جایگزینی قطعات آلومینیومی، منیزیمی یا فولادی با پلیمرها و کامپوزیت‌های مهندسی با عملکرد بالا) یکی از بارزترین روندهای دهه اخیر است. کاهش وزن ۴۰ تا ۷۰ درصدی در مقایسه با فلزات، آزادی عمل در طراحی هندسی به لطف چاپ سه ‌بعدی که نیاز به ماشینکاری و مونتاژ را از بین می‌برد، حذف خوردگی گالوانیک و فرآیندهای ضدخوردگی، خاصیت ذاتی عایق الکتریکی و حرارتی، کاهش زمان عرضه به بازار به دلیل عدم نیاز به ساخت قالب و ابزارآلات از دلایل این پدیده هستند. بیایید نگاهی دقیق‌تر به پلیمرهای پرکاربرد در صنعت هوافضا بیندازیم؛ از گریدهای سازه‌ای "پایه" گرفته تا ابرپلیمرهایی که برای کاربردهای بسیار دشوار و خاص استفاده می‌شوند.

1. PA11 و PA12: سازه‌ای و چندمنظوره

پلی ‌آمیدهای با زنجیره بلند ماده منحصر به فردی برای قطعات غیرحیاتی هوافضا محسوب می‌شوند؛ قطعاتی نظیر محفظه‌ها، مجراها، براکت‌های ثانویه و اجزای داخلی کابین. از مهم‌ترین ویژگی‌های آنها باید به این موارد اشاره کرد:

- چگالی ۱.۰۱ تا ۱.۰۴ گرم بر سانتی‌متر مکعب: که آنها را در زمره سبک‌ترین پلیمرهای سازه‌ای قرار می‌دهد.

- جذب رطوبت ناچیز: که ثبات ابعادی در تمامی شرایط عملیاتی، مقاومت عالی در برابر خستگی و ضربه به‌ویژه در مورد PA11 را تضمین می‌کند.

- سازگاری کامل با فناوری چاپ سه‌ بعدی و برخورداری از خواص تقریبا همسان‌ گرد (ایزوتروپیک)

- PA11 با منشاء زیستی (روغن کرچک) و درصد بالایی از مواد تجدیدپذیر

اما محدودیت اصلی، دمای کاری است که در استفاده مداوم در حدود ۹۰ تا ۱۰۰ درجه سانتیگراد قرار دارد. به همین دلیل، PA11 و PA12 مواد مرجع برای ساخت نمونه‌های اولیه کاربردی، تولید سری قطعات غیرسازه‌ای و کاربردهای داخل کابین (که در معرض نواحی داغ نیستند) به شمار می‌روند.

2. PEEK CF: اسکلت ماهواره و سازه‌های هواپیما

پلیمر PEEK تقویت ‌شده با الیاف کربن یکی از پیشرفته‌ترین ابرپلیمرها برای کاربردهای هوافضایی با عملکرد بالاست. این ماده، خواص ممتاز ماتریس پلی اتر اترکتون (PEEK) را با خاصیت تقویت‌ کنندگی الیاف کربن درمی‌آمیزد و در نتیجه، ماده‌ای پدید می‌آورد که در بسیاری از کاربردهای سازه‌ای، رقیب مستقیم آلومینیوم محسوب می‌شود. ویژگی‌های کلیدی آن چگالی حدود ۱.۳۴ گرم بر سانتیمتر مکعب (در مقایسه با ۲.۷۰ برای آلومینیوم ۶۰۶۱)؛ نسبت استحکام به وزن و صلبیت ویژه بالا؛ دمای کاری مداوم تا ۲۵۰ درجه سانتیگراد؛ مقاومت شیمیایی عالی در برابر مواد مختلف از جمله سوخت‌ها، سیالات هیدرولیک و مواد شیمیایی خورنده؛ کلاس اشتعال ‌پذیری UL94 V-0؛ قابلیت چاپ سه ‌بعدی با فناوری صنعتی است.

PEEK CF در ساخت قاب‌ها و سازه‌های ماهواره‌ای، براکت‌های سازه‌ای، نگهدارنده‌های قطعات الکترونیکی داخلی، محفظه سنسورها و براکت‌های موتور هواپیما کاربرد دارد.

3. PEEK GF: دوام در شرایط کاری دشوار

PEEK تقویت‌ شده با الیاف شیشه (GF) عملکردی مشابه PEEK CF دارد اما تفاوت‌های عملیاتی مهمی نیز دارد. در مقایسه با PEEK CF خاصیت عایق الکتریکی را حفظ می‌کند (الیاف شیشه رسانا نیستند)؛ چگالی قابل مقایسه (حدود ۱.۳۵ گرم بر سانتی‌متر مکعب)؛ صلبیت کمتر اما همسان‌ گردی (ایزوتروپی) بهتر؛ کلاس اشتعال ‌پذیری UL94 V-0 و مقاومت حرارتی یکسان. این ماده انتخابی ایده‌آل برای ساخت قطعاتی است که به عایق الکتریکی نیاز دارند مانند کانکتورهای دما-بالا، عایق‌های داخلی و براکت‌های مورد استفاده در کاربردهای غیررسانا.

4. PPS CF: پایداری حرارتی و مقاومت شیمیایی سازه‌ای

پلی ‌فنیلن سولفید (PPS) تقویت‌ شده با الیاف کربن (CF) به مقاومت شیمیایی فوق‌ العاده‌اش شهرت دارد و با الیاف کربن که موجب افزایش صلبیت و پایداری ابعادی می‌شوند، ترکیب می‌کند. این ماده به عنوان جایگزینی مکمل برای PEEK CF مطرح است و مزایای ویژه‌ای در زمینه پایداری حرارتی بلندمدت و مقاومت در برابر سیالات خورنده دارد. پایداری حرارتی تا ۲۵۰ درجه سانتی‌گراد؛ مقاومت شیمیایی فوق ‌العاده: مقاومت بسیار بالا در برابر اکثر حلال‌های آلی حتی در دماهای نزدیک به ۲۰۰ درجه سانتیگراد از جمله سوخت‌ها، روغن‌های هوانوردی و سیالات خورنده یخ ‌زدا؛ چگالی حدود ۱.۳۴ گرم بر سانتی‌متر مکعب؛ رسانش الکتریکی ناشی از وجود الیاف کربن (عایق نیست)؛ هزینه کمتر از خواص ممتاز آن است. PEEK CF در ساخت قطعات سازه‌ای برای سیستم‌های سوخت و هیدرولیک، محفظه سنسورها در نواحی با دمای بالا، براکت‌ها و نگهدارنده‌های محفظه موتور، و قطعات پمپ و شیرآلات برای سیالات خورنده هوانوردی کاربرد دارد.

5. ULTEM (PEI): مرجعی برای فضای داخلی کابین

پلی ‌اترایمید (PEI) که با نام تجاری ULTEM شناخته می‌شود، یکی از پرکاربردترین مواد برای قطعات داخلی کابین است که به روش چاپ سه‌ بعدی تولید می‌شوند. استفاده از این ماده به دلیل برخورداری از مجموعه‌ای کامل از گواهینامه‌ها و استانداردهای انطباق مورد توجه و ترجیح است؛ از جمله استاندارد اشتعال پذیری، استاندارد صنعت حمل‌ و نقل ریلی، و استانداردهای هوافضا. به لطف این ویژگی‌ها، PEI راهکاری برتر برای ساخت پنل‌ها، پوشش‌ها، محفظه‌ها و کانال‌های مورد استفاده در کابین مسافران محسوب می‌شود. این ماده با چگالی حدود ۱.۲۷ گرم بر سانتی‌متر مکعب، دمای تغییر شکل حرارتی در محدوده ۱۹۰ تا ۲۱۰ درجه سانتی‌گراد و پایداری ابعادی بالا تعادلی مطلوب میان سبکی، مقاومت حرارتی و انطباق با استانداردها برقرار می‌کند.

در مجموع، ابرپلیمرهایی مانند PEEK CF، PEEK GF و PPS GF تولید نسل جدیدی از قطعات سبک ‌وزن و با عملکرد بالای هوافضا را امکان ‌پذیر ساخته‌اند. فناوری ساخت افزایشی نیز روند به‌ کارگیری این مواد را شتاب بخشیده و شیوه طراحی و توسعه قطعات ویژه پرواز را توسط طراحان و مهندسان دگرگون کرده است.