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

जब कोई वाहन वायुमंडल में पुनः प्रवेश करते समय हाइपरसोनिक गति से यात्रा करता है, तो वह चुनौतियों के एक भीषण संयोजन का सामना करता है। हवा का घर्षण तीव्र ऊष्मा उत्पन्न करता है जो अधिकांश सामग्रियों को पिघला सकती है, जबकि वाहन को भारी संरचनात्मक भार भी उठाना होता है और दुश्मन के रडार से अदृश्य भी रहना होता है। पारंपरिक रूप से, इंजीनियर इन समस्याओं को हल करने के लिए सामग्रियों की विभिन्न परतों को एक के ऊपर एक रखते हैं: एक मजबूत धातु का ढांचा जो आकार बनाए रखे, एक स्पंजी (fluffy) इन्सुलेटिंग परत जो गर्मी को बाहर रखे, और एक विशेष कोटिंग जो रडार तरंगों को सोख ले। हालांकि, इन अलग-अलग हिस्सों को एक के ऊपर एक रखने से वजन बढ़ता है और ऐसे कमजोर बिंदु बन जाते हैं जहाँ तनाव के कारण परतें अलग हो सकती हैं। अगली पीढ़ी के एयरोस्पेस डिजाइन का लक्ष्य एक ऐसी एकल सामग्री खोजना है जो एक साथ ये तीनों काम कर सके: भार उठाना, गर्मी को रोकना और रडार से छिपना।

नॉर्थवेस्टर्न पॉलिटेक्निक यूनिवर्सिटी और शानक्सी यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं ने एक नए प्रकार के सिरेमिक को विकसित किया है जो इस पहेली को सुलझाने का प्रयास करता है। उन्होंने ज़िरकोनियम कार्बाइड से बनी एक हल्की, छिद्रयुक्त (porous) सामग्री बनाई है, जो अत्यधिक तापमान में जीवित रहने के लिए जानी जाती है। इसे बनाने के लिए उपयोग किए जाने वाले रासायनिक नुस्खे को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके, उन्होंने एक ऐसा सिरेमिक तैयार किया जो सूक्ष्म, आपस में जुड़े छेदों से भरा है। यह संरचना इस सामग्री को एक मजबूत निर्माण खंड, एक थर्मल शील्ड और एक रडार अवशोषक के रूप में एक साथ कार्य करने की अनुमति देती है। टीम ने पाया कि निर्माण प्रक्रिया के दौरान ज़िरकोनियम के साथ कार्बन की मात्रा को समायोजित करके, वे मजबूती और इन्सुलेशन के बीच एक दुर्लभ संतुलन प्राप्त करने के लिए सामग्री के गुणों को ट्यून कर सकते हैं।

यह प्रक्रिया दो सामान्य रसायनों के साथ शुरू हुई: ज़िरकोनियम क्लोराइड और फुरफुरल, जो पौधों से प्राप्त एक तरल पदार्थ है। शोधकर्ताओं ने इन्हें इस तरह से मिलाया जिससे तरल स्वतः ही फोम (झाग) में बदल गया, जिससे बिना किसी बाहरी सांचे या ब्लोइंग एजेंट के एक ठोस लेकिन छिद्रयुक्त हरा ब्लॉक बन गया। इस ब्लॉक को अत्यधिक उच्च तापमान पर भट्टी में गर्म किया गया। इस हीटिंग के दौरान, एक रासायनिक प्रतिक्रिया जिसे कार्बोथर्मल रिडक्शन कहा जाता है, हुई, जहाँ फुरफरल से कार्बन ने ज़िरकोनियम के साथ प्रतिक्रिया की और अंतिम ज़िरकोनियम कार्बाइड सिरेमिक बनाया। इस प्रतिक्रिया के दौरान निकलने वाली गैस ने छिद्रयुक्त, स्पंज जैसी संरचना को बनाए रखने में मदद की। टीम ने इस सिरेमिक के चार अलग-अलग संस्करण बनाए, जिनमें से प्रत्येक में कार्बन और ज़िरकोनियम का अनुपात थोड़ा अलग था, ताकि यह देखा जा सके कि सामग्री के घटकों का संतुलन अंतिम उत्पाद को कैसे प्रभावित करता है।

परिणामों ने दिखाया कि कार्बन की मात्रा को बढ़ाना ही सामग्री की पूरी क्षमता को अनलॉक करने की कुंजी थी। जैसे-जैसे शोधकर्ताओं ने कार्बन की मात्रा बढ़ाई, सिरेमिक को बनाने वाले सूक्ष्म कण बड़े और चिकने होते गए, और सामग्री के भीतर के छेद अधिक समान और आपस में जुड़े हुए हो गए। इस सूक्ष्म संरचनात्मक परिवर्तन का सामग्री के प्रदर्शन पर गहरा प्रभाव पड़ा। सबसे अधिक कार्बन युक्त नमूना, जिसमें 71 प्रतिशत की सरंध्रता (porosity) थी, सबसे सफल साबित हुआ। इसमें सूक्ष्म गोलों का एक त्रि-आयामी नेटवर्क था जो आपस में मजबूती से बंधा हुआ था, जिससे सामग्री को 23.6 मेगापास्कल की संपीड़न शक्ति (compressive strength) मिली। इसे समझने के लिए, यह स्तर पर्याप्त है कि सामग्री महत्वपूर्ण भार उठा सके, जो इसे एयरोस्पेस अनुप्रयोगों में संरचनात्मक उपयोग के लिए व्यवहार्य बनाता है जहाँ अन्य छिद्रयुक्त सिरेमिक साधारणतः टूट या बिखर जाएंगे।

अपनी मजबूती के अलावा, इस सामग्री ने असाधारण ताप अवरोधक क्षमता का प्रदर्शन किया। जब शोधकर्ताओं ने सिरेमिक को 10 मिनट के लिए 300 डिग्री सेल्सियस तक गर्म करके थर्मल इन्सुलेशन प्रदर्शन का मूल्यांकन किया, तो दूसरी तरफ का हिस्सा उल्लेखनीय रूप से ठंडा रहा। सबसे अच्छे नमूने ने सतह के तापमान को केवल 99.5 डिग्री सेल्सियस पर बनाए रखा, जो कम कार्बन वाले नमूनों की तुलना में एक महत्वपूर्ण गिरावट है। इस थर्मल इन्सुलेशन प्रदर्शन को 0.254 वॉट प्रति मीटर-केल्विन के थर्मल कंडक्टिविटी (ऊष्मा चालकता) पर मापा गया था, जो एक बहुत कम मान है जो दर्शाता है कि गर्मी इस सामग्री से गुजरने के लिए संघर्ष करती है। बड़ी संख्या में सूक्ष्म छिद्रों ने हवा को फँसा लिया, जो ऊष्मा का एक खराब चालक है, जिससे प्रभावी रूप से एक बाधा बन गई जिसने तापीय ऊर्जा के हस्तांतरण को धीमा कर दिया। यह सुझाव देता है कि यह सामग्री अंतरिक्ष यान के संवेदनशील आंतरिक घटकों को वायुमंडलीय पुन: प्रवेश के भीषण तापमान से बचा सकती है।

शायद सबसे आश्चर्यजनक खोज सामग्री की विद्युत चुम्बकीय तरंगों को अवशोषित करने की क्षमता थी, जो रडार स्टील्थ के लिए महत्वपूर्ण है। शोधकर्ताओं ने परीक्षण किया कि यह सिरेमिक आवृत्तियों की एक विस्तृत श्रृंखला में रडार संकेतों को कितनी अच्छी तरह अवशोषित करता है। उन्होंने पाया कि उच्चतम कार्बन सामग्री वाले नमूने ने सबसे अधिक ऊर्जा को अवशोषित किया, जिससे एक मानक धातु की सतह की तुलना में रडार तरंगों के परावर्तन को लगभग 1,000 गुना कम कर दिया गया। तकनीकी शब्दों में, इस सामग्री ने -28.87 डेसिबल का न्यूनतम रिफ्लेक्शन लॉस प्राप्त किया, जिसका अर्थ है कि यह विशिष्ट आवृत्तियों पर टकराने वाली 99.9 प्रतिशत रडार तरंगों को अवशोषित कर सकता है। अवशोषण इतना प्रभावी था कि इसने आवृत्तियों की एक विस्तृत श्रृंखला को कवर किया, जिससे सामग्री को कई अलग-अलग कोणों से वाहन को रडार डिटेक्शन से छिपाने में मदद मिली।

इस अवशोषण के पीछे का तंत्र सिरेमिक की अनूठी संरचना में निहित है। ज़िरकोनियम कार्बाइड के गोलों का परस्पर जुड़ा नेटवर्क इलेक्ट्रॉनों को स्वतंत्र रूप से घूमने की अनुमति देता है, जिससे एक कंडक्टिव पाथ बनता है जो विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा को ऊष्मा के रूप में नष्ट कर देता है। साथ ही, सामग्री के भीतर मौजूद खुरदरी सतहें और दोष रडार तरंगों को छिद्रों के भीतर टकराकर इधर-उधर भटकने के लिए मजबूर करते हैं, जिससे हर परावर्तन के साथ ऊर्जा कम होती जाती है। निर्माण प्रक्रिया के दौरान मिलाए गए कार्बन ने विशिष्ट दोष भी बनाए जो तरंगों के साथ सामग्री की अंतःक्रिया में मदद करते हैं, जिससे अवशोषण और बढ़ जाता है। कंप्यूटर सिमुलेशन ने पुष्टि की कि जब इस सिरेमिक को एक धातु की सतह के ऊपर रखा गया, तो इसने परावर्तित रडार सिग्नल की शक्ति को काफी कम कर दिया, जिससे वस्तु को ट्रैक करना बहुत कठिन हो गया।

यह कार्य यह प्रदर्शित करता है कि एक एकल सामग्री को डिजाइन करना संभव है जो आधुनिक एयरोस्पेस इंजीनियरिंग की परस्पर विरोधी मांगों को पूरा करती है। एक सरल स्व-फोमिंग विधि का उपयोग करके और कार्बन से ज़िरकोनियम के अनुपात को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, शोधकर्ताओं ने एक ऐसा सिरेमिक बनाया जो भार उठाने के लिए पर्याप्त मजबूत, वजन बचाने के लिए हल्का और गर्मी एवं रडार को रोकने के लिए प्रभावी है। यह अध्ययन सुझाव देता है कि यह दृष्टिकोण हाइपरसोनिक वाहनों के लिए नए, एकीकृत थर्मल प्रोटेक्शन सिस्टम विकसित करने की दिशा में एक नया मार्ग प्रशस्त कर सकता है, जिससे भारी, बहु-स्तरीय संरचनाओं की आवश्यकता समाप्त हो जाएगी। हालांकि इस सामग्री का प्रयोगशाला सेटिंग में परीक्षण किया गया था, लेकिन परिणाम मल्टीफंक्शनल सिरेमिक विकसित करने के लिए एक आशाजनक पथ की ओर संकेत करते हैं जो अंतरिक्ष और उच्च गति की उड़ान के चरम वातावरण का सामना कर सकें।