A multifunctional ZrC porous ceramic fabricated via a direct foaming method with load- bearing, thermal insulation, and electromagnetic wave absorption properties

عندما تسافر مركبة بسرعة فرط صوتية أثناء دخولها الغلاف الجوي، فإنها تواجه مزيجاً وحشياً من التحديات. إذ يولد الاحتكاك بالهواء حرارة شديدة يمكن أن تذيب معظم المواد، بينما يجب على المركبة أيضاً تحمل أحمال هيكلية ثقيلة والبقاء غير مرئية لرادار العدو. تقليدياً، يحل المهندسون هذه المشكلات عن طريق تكديس طبقات مختلفة من المواد: إطار معدني قوي للحفاظ على الشكل، وطبقة عازلة "منفوشة" لمنع الحرارة من الدخول، وطلاء خاص لامتصاص موجات الرادار. ومع ذلك، فإن تكديس هذه الأجزاء المنفصلة يزيد من الوزن ويخلق نقاط ضعف حيث يمكن للطبقات أن تنفصل عن بعضها تحت الضغط. والهدف من تصميم الطيران والفضاء للجيل القادم هو العث lập مادة واحدة يمكنها القيام بالوظائف الثلاث معاً: تحمل الوزن، وحجب الحرارة، والاختفاء من الرادار.

قام باحثون في جامعة نورث ويسترن بوليتكنيكال وجامعة شانشي للعلوم والتكنولوجيا بتطوير نوع جديد من السيراميك يحاول حل هذا اللغز. لقد صنعوا مادة مسامية خفيفة الوزن مكونة من كربيد الزركونيوم، وهي مادة معروفة بقدرتها على تحمل درجات الحرارة القصوى. ومن خلال التحكم الدقيق في الوصفة الكيميائية المستخدمة لصنعها، أنتجوا سيراميك مليئاً بفتحات صغيرة متصلة. يسمح هذا الهيكل للمادة بأن تعمل ككتلة بناء قوية، ودرع حراري، وممتص للرادار في آن واحد. ووجد الفريق أنه من خلال مجرد ضبط كمية الكربون الممزوجة مع الزركونيوم أثناء عملية التصنيع، يمكنهم ضبط خصائص المادة لتحقيق توازن نادر بين القوة والعزل.

بدأت العملية بمادتين كيميائيتين شائعتين: كلوريد الزركونيوم والفورفورال، وهو سائل مشتق من مواد نباتية. قام الباحثون بخلطهما بطريقة جعلت السائل يتحول تلقائياً إلى رغوة، مما خلق كتلة خضراء صلبة ومسامية دون الحاجة إلى أي قوالب خارجية أو عوامل نفخ. ثم تم تسخين هذه الكتلة في فرن تحت درجات حرارة عالية للغاية. خلال هذا التسخين، حدث تفاعل كيميائي يُعرف باسم الاختزال الحراري الكربوني، حيث تفاعل الكربون من الفورفورال مع الزركونيوم لتشكيل سيراميك كربيد الزركونيوم النهائي. ساعد الغاز المنطلق أثناء هذا التفاعل في الحفاظ على الهيكل المسامي الذي يشبه الإسفنج. وقد صنع الفريق أربعة إصدارات مختلفة من هذا السيراميك، كل منها يحتوي على نسبة مختلفة قليلاً من الكربون إلى الزركونيوم، لمعرفة كيف يؤثر توازن المكونات على المنتج النهائي.

أظهرت النتับ أن كمية الكربون المضافة كانت المفتاح لفتح الإمكانات الكاملة للمادة. فمع زيادة الباحثين لمحتوى الكربون، نمت الجسيمات الصغيرة التي تشكل السيراميك لتصبح أكبر وأكثر نعومة، وأصبحت الفتحات داخل المادة أكثر تجانساً وترابطاً. وكان لهذا التغيير في البنية المجهرية تأثير عميق على أداء المادة. فالعينة الأكثر غنى بالكربون، والتي بلغت مساميتها 71 بالمائة، كانت الأكثر نجاحاً؛ حيث امتلكت شبكة ثلاثية الأبعاد من الكرات الصغيرة المرتبطة ببعضها البعض بإحكام، مما منح المادة قوة ضغط بلغت 23.6 ميجاباسكال. ولوضع ذلك في الاعتبار، فإن هذا المستوى من القوة كافٍ لجعل المادة تتحمل وزناً كبيراً، مما يجعلها صالحة للاستخدام الهيكلي في تطبيقات الفضاء حيث قد تنهار السيراميك المسامية الأخرى ببساسة.

وبعيداً عن قوتها، أظهرت المادة قدرة استثنائية على حجب الحرارة. فعندما قيم الباحثون أداء العزل الحراري عن طريق تسخين السيراميك إلى 300 درجة مئوية لمدة 10 دقائق، ظل الجانب الآخر بارداً بشكل ملحوظ. حافظت العينة الأفضل على درجة حرارة سطح تبلغ 99.5 درجة مئوية فقط، وهو انخفاض كبير مقارنة بالعينات ذات الكربون الأقل. وقد قِيست قدرة العزل الحراري هذه بموصلية حرارية بلغت 0.254 واط لكل متر-كلفن، وهي قيمة منخفضة جداً تشير إلى أن الحرارة تجد صعوبة في المرور عبر المادة. فقد حصر العدد الكبير من المسام الصغيرة الهواء، وهو موصل سيئ للحرارة، مما خلق فعلياً حاجزاً أبطأ انتقال الطاقة الحرارية. وهذا يشير إلى أن المادة يمكن أن تحمي المكونات الحساسة داخل المركبة الفضائية من درجات الحرارة الحارقة أثناء دخول الغلاف الجوي.

ولعل الاكتشاف الأكثر إثارة للدهشة هو قدرة المادة على امتصاص الموجات الكهرومغناطيسية، وهو أمر بالغ الأهمية للتخفي الراداري. اختبر الباحثون مدى قدرة السيراميك على امتصاص إشارات الرادار عبر مجموعة واسعة من الترددات، ووجدوا أن العينة ذات المحتوى الأعلى من الكربون امتصت أكبر قدر من الطاقة، مما قلل من انعكاس موجات الرادار بمعامل يقترب من 1,000 مقارنة بسطح معدني قياسي. ومن الناحية الفنية، حققت المادة حداً أدنى من فقدان الانعكاس بلغ -28.87 ديسيبل، مما يعني أنها يمكن أن تمتص 99.9 بالمائة من موجات الرادار التي تصطدم بها عند ترددات محددة. كان الامتصاص فعالاً للغاية لدرجة أنه غطى نطاقاً واسعاً من الترددات، مما سمح للمادة بإخفاء المركبة عن كشف الرادار من زوايا مختلفة عديدة.

تكمن الآلية وراء هذا الامتصاص في الهيكل الفريد للسيراميك. إذ تسمح الشبكة المترابطة من كرات كربيد الزركونيوم للإلكترونات بالتحرك بحرية، مما يخلق مساراً موصلاً يبدد الطاقة الكهرومغناطيسية على شكل حرارة. وفي الوقت نفسه، تتسبب الأسطح الخشنة والعيوب داخل المادة في جعل موجات الرادار ترتد داخل المسام، مما يفقدها الطاقة مع كل انعكاس. كما أن الكربون المضاف أثناء عملية التصنيع خلق عيوباً محددة ساعدت المادة على التفاعل مع الموجات، مما عزز الامتصاص بشكل أكبر. وأكدت عمليات المحاكاة الحاسوبية أنه عند وضع هذا السيراميك فوق سطح معدني، فإنه يقلل بشكل كبير من قوة إشارة الرادار المنعكسة، مما يجعل الجسم أصعب بكثير في الكشف عنه.

يُظهر هذا العمل أنه من الممكن تصميم مادة واحدة تلبي المتطلبات المتضاربة للهندسة الفضائية الحديثة. فباستخدام طريقة بسيطة للرغوة الذاتية وضبط دقيق لنسبة الكربون إلى الزركونيوم، استطاع الباحثون ابتكار سيراميك قوي بما يكفي لتحمل الأحمال، وخفيف بما يكفي لتوفير الوزن، وفعال بما يكفي لحجب الحرارة والرادار. وتشير الدراسة إلى أن هذا النهج يمكن أن يؤدي إلى أنظمة حماية حرارية متكاملة جديدة للمركبات فرط الصوتية، مما يلغي الحاجة إلى الهياكل الثقيلة متعددة الطبقات. وبينما تم اختبار المادة في بيئة مختبرية، فإن النتائج تشير إلى مسار واعد لتطوير سيراميك متعدد الوظائف يمكنه الصمود أمام البيئات القاسية للطيران عالي السرعة والفضاء.