شبكة ألومينا مع هلام هوائي للامتصاص عالي الحرارة

بنية فوقية متعددة الوظائف مصنوعة من السيراميك على شكل قرص العسل والتي تدمج امتصاص الموجات الكهرومغناطيسية والعزل الحراري والتحمل الميكانيكي. من خلال ملء الأيروجيلات ذات المقاومة المتدرجة في أقراص عسل الألومينا المطبوعة ثلاثية الأبعاد، حققت عرض نطاق امتصاص عريض النطاق قياسيًا يبلغ 14.18 جيجا هرتز عند درجة حرارة عالية تبلغ 500 درجة مئوية، كما تتمتع بقوة ضغط تبلغ 31.76 ميجا باسكال.

خلفية البحث

غالبًا ما تواجه الرادارات الحديثة والأنظمة الإلكترونية الموجودة على متن السفن ومعدات الاتصالات المحمولة جواً تحديات بيئية حرارية شديدة عند العمل. يجب أن تلعب أغلفة هذه الأجهزة الإلكترونية ثلاثة أدوار في نفس الوقت: امتصاص الموجات الكهرومغناطيسية (لتحقيق التخفي الراداري)، والعازل الحراري (لمنع التوصيل الحراري)، والهيكل الحامل (لتوفير الدعم الميكانيكي).

ومع ذلك، فإن المواد الممتصة الموجودة لها عيوبها الخاصة: - مواد الفقد الكهربائي (مثل البوليمرات الموصلة القائمة على الكربون) عرضة للأكسدة والفشل عند درجات حرارة عالية - مواد الفقد المغناطيسي (مثل الفريت) لها درجات حرارة كوري منخفضة، وتضعف مغناطيسيتها بشكل حاد في درجات الحرارة المرتفعة - مواد الفقد العازلة (مثل ألياف SiC) لها نطاقات امتصاص ضيقة ويصعب تغطية الترددات الواسعة

والأهم من ذلك، أن معظم الحلول التقليدية تطبق طبقات ماصة على سطح الهيكل. على الرغم من أن هذا التصميم "من نوع الجلد" بسيط، إلا أنه يتمتع بقدرة تحمل ضعيفة ويصعب تلبية احتياجات الأجزاء الهيكلية.

كيف يمكن تحقيق امتصاص موجة النطاق العريض واستقرار درجات الحرارة العالية والعزل الحراري والحمل الميكانيكي في هيكل متكامل في وقت واحد؟ لقد أزعجت هذه المشكلة مجتمع علوم المواد لسنوات عديدة.

الطرق

قاد البروفيسور لي وي جي من معهد بكين للتكنولوجيا في تشوهاي فريقًا لنشر ورقة بحثية بعنوان "التصنيع المتكامل لأقراص العسل الخزفية المطبوعة ثلاثية الأبعاد مع حشوات الهلام الهوائي المقاومة للتدرج لامتصاص رادار النطاق العريض عالي الحرارة" في "الجزء أ من المواد المركبة: العلوم التطبيقية والتصنيع"، وقدم حلاً مبتكرًا بمساعدة طابعة KUNWU الخزفية ثلاثية الأبعاد من الدرجة الصناعية: البنية الفوقية لشطيرة قرص العسل.

طابعة KUNWU ثلاثية الأبعاد من السيراميك الصناعي (بعد ترقية المظهر)

رسم تخطيطي للتكوين العام للبنية الفوقية لشطيرة قرص العسل وتخطيط طلاء المقاومة المتدرج

ومفهوم التصميم الأساسي لهذا الهيكل هو الفصل الوظيفي - مع تخصيص مجموعات مختلفة لمهام كل منها:

الهيكل العظمي الحامل: قرص العسل من أكسيد الألومنيوم المطبوع ثلاثي الأبعاد (Al₂O₃). الألومينا عبارة عن سيراميك هيكلي نموذجي عالي الحرارة، مع نقطة انصهار تتجاوز 2000 درجة مئوية وقوة ضغط تصل إلى مئات الآلام والكروب الذهنية. يمكن لتكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد التحكم بدقة في سمك الجدار وحجم المسام وترتيب أقراص العسل لتحسين الخواص الميكانيكية والاستجابة الكهرومغناطيسية.

حشو وظيفي: لباد ايروجيل السيليكا متعدد الطبقات مملوء بفتحات قرص العسل. يُعرف الإيروجيل باسم "الدخان الصلب". تصل مساميتها إلى أكثر من 90% وموصليتها الحرارية منخفضة تصل إلى 0.02 واط/(م·ك). إنها مادة عزل حراري ممتازة. علاوة على ذلك، فإن البنية المسامية للإيروجيل توفر قاعدة مثالية للطلاءات اللاحقة.

طلاء ماص: طلاء مقاوم متدرج مبني على سطح الإيروجيل. تم تصميم ثلاث طبقات مقاومة منقوشة (مواد كربونية)، مع قيم مقاومة مختلفة في كل طبقة وتغير التدرج من الخارج إلى الداخل. يحقق هذا التصميم التأثير التآزري لمطابقة المعاوقة وفقدان الأومية، مما يتسبب في تخفيف الموجة الكهرومغناطيسية الساقطة تدريجيًا في الهيكل متعدد الطبقات، مما يحقق في النهاية امتصاص النطاق العريض.

الغطاء الواقي: غطاء ثاني أكسيد السيليكون الكثيف (SiO₂) يحمي الهيكل الداخلي من التآكل البيئي.

لماذا يمكن لتصميم المقاوم المتدرج تحقيق امتصاص النطاق العريض؟ هناك آلية فيزيائية أساسية يجب فهمها هنا: مطابقة المعاوقة.

ستنعكس الموجات الكهرومغناطيسية على السطح البيني بين الوسطين، وتعتمد شدة الانعكاس على فرق المعاوقة بين الوسيطين. إذا لم تتطابق الممانعات، فسوف تنعكس معظم الموجات الكهرومغناطيسية على السطح ولن تتمكن من الدخول إلى داخل المادة المراد امتصاصها.

وعادة ما تضاهي امتصاصات المحارم التقليدية المقاومة في نطاق ضيق، مما يؤدي إلى توسيع نطاقات استيعاب محدودة. ويعادل تصميم مقاومة الجاذبية بناء طبقة لمكافحة الجاذبية في إطار المادة:

• للطبقة الخارجية مقاومة أقل تقارب معاوقة الفضاء الحر لتسمح بدخول الموجات الكهرومغناطيسية.

• للطبقة الوسطى مقاومة متوسطة وتبدأ تبديد الطاقة بالفقد الأومي.

• تعمل الطبقة الداخلية الأعلى مقاومة مع الطلاء المقاوم المستمر في الأسفل لإتمام الامتصاص.

يسمح هذا التصميم بتحقيق تطابق مناسب للمعاوقة عند ترددات مختلفة، وبالتالي امتصاص فعال عبر نطاق ترددي واسع.

يتضمن تحسين المعلمات الهيكلية ما يلي: (أ) تكوين الحدود الكهرومغناطيسية في محاكاة CST؛ (ب) سمك اللوحة السفلية "d1"؛ (ج) سمك اللوحة العلوية "d2"؛ (د) سمك طبقة الملء "ح"؛ (هـ) الطول الجانبي لهيكل قرص العسل "l" ؛ (و) طول الحافة الداخلية للطلاء المقاوم الخارجي "R" ؛ (ز) طول الحافة الداخلية للطلاء المقاوم الداخلي "r"؛ (ح) سمك جدار قرص العسل "t"؛ (ط) عرض الطلاء المقاوم "ث".

وتبين نتائج المحاكاة بوضوح أن فقدان القدرة على توليد الأمواج الكهرومغناطيسية يتركز في مختلف طبقات المقاومة، وهذا هو الدليل المادي على تصميم التدرج لتحقيق استيعاب النطاق العريض.

النتائج

تظهر النتائج التجريبية أن البنية الفوقية لشطيرة قرص العسل تعمل بشكل جيد في عدد من مؤشرات الأداء:

أداء الامتصاص الكهرومغناطيسي: - يتم تحقيق امتصاص النطاق العريض المستقر في نطاق درجة حرارة واسع من درجة حرارة الغرفة إلى 500 درجة مئوية - عند درجة حرارة عالية تبلغ 500 درجة مئوية، يصل عرض نطاق الامتصاص الفعال (فقد الانعكاس <-10 ديسيبل، أي معدل الامتصاص> 90%) إلى 14.18 جيجا هرتز، ويغطي نطاق التردد 2.32-16.5 جيجا هرتز - وهذا يعني أنه يغطي النطاق X بالكامل تقريبًا (8-12) غيغاهرتز) والنطاق Ku (12-18 غيغاهرتز)

عملية تحضير البنية الفوقية لشطيرة قرص العسل

أداء العزل الحراري: - في اختبار التعرض لدرجة الحرارة العالية، كانت درجة حرارة الجانب الخلفي أقل بكثير من درجة حرارة الجانب الأمامي، مما يثبت أن هيكل قرص العسل المملوء بالهلام الهوائي يمنع توصيل الحرارة بشكل فعال - وهذا يوفر إمكانية التخفي بالأشعة تحت الحمراء - خفض درجة حرارة السطح المستهدف وتقليل الأشعة تحت الحمراء

الخواص الميكانيكية: - تصل قوة الضغط إلى 31.76 ميجا باسكال، أي ما يعادل تحمل حوالي 320 كجم من الضغط لكل سنتيمتر مربع - تبلغ الكثافة الهيكلية الإجمالية حوالي 1.6 جرام/سم مكعب، وهي خفيفة الوزن نسبيًا - أظهرت اختبارات التأثير أن هيكل قرص العسل يتمتع بقدرات فعالة في تبديد الطاقة

وتستحق هذه العملية التحويلية البنيوية الخارقة التي تجمع بين العديد من تكنولوجيات التصنيع المتقدمة الاهتمام أيضا:

هيكل قرص العسل المطبوع ثلاثي الأبعاد: باستخدام ملاط الألومينا، يتم تصنيع هيكل قرص العسل من خلال تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد المعالجة بالضوء. يمكن أن تصل دقة الطباعة إلى مستوى الميكرون، ويمكن التحكم بدقة في سمك الجدار وحجم المسام.

حشوة الهلام الهوائي: قم بحقن محلول السيليكا في فتحات قرص العسل، وشكل جسم حشو الهلام الهوائي من خلال عملية هلام السول والتجفيف فوق الحرج.

تحضير طلاء مقاومة التدرج: يتم ترسيب الطلاءات الكربونية ذات قيم مقاومة السطح المختلفة بشكل تسلسلي على سطح الهلام الهوائي من خلال رش القناع. تم تصميم النمط وقيمة المقاومة لكل طلاء بعناية.

تغليف الغطاء: أخيرًا، يتم إغلاقه بغطاء من ثاني أكسيد السيليكون لتشكيل هيكل شطيرة كامل.

الخصائص المورفولوجية لوسادة الإيروجيل والطلاء المقاوم: (أ) صورة مجهرية لوسادة الإيروجيل؛ (ب) صورة إعادة البناء المقطعية للوسادة الهوائية؛ (ج) صورة مورفولوجية SEM للوسادة الهوائية؛ (د) صورة مجهرية للطلاء المقاوم؛ (هـ) صورة CT أعيد بناؤها للطلاء المقاوم؛ (و) صورة مورفولوجية SEM للطلاء المقاوم.

الاستنتاجات

وتكمن القيمة الأساسية لهذا العمل ليس فقط في تحقيق الأداء القياسي لاستيعاب النطاق العريض، بل أيضا في وضع نموذج عام لتصميم المواد المركبة المتعددة الوظائف من خلال التكامل الهرمي.

في التصميم التقليدي، غالبًا ما تتعارض الوظائف الثلاث لامتصاص الموجة والعزل الحراري وتحمل الأحمال مع بعضها البعض: إضافة عامل امتصاص الموجة سيقلل من الخواص الميكانيكية، وستؤدي إضافة طبقة عازلة للحرارة إلى زيادة سماكة الهيكل. من خلال التصميم المركب الهرمي لـ "الهيكل العظمي الخزفي على شكل قرص العسل (الحامل) + الإيروجيل (العزل الحراري) + طبقة مقاومة التدرج (امتصاص الموجة)"، يتم فصل الوظائف الثلاث بذكاء ويمكن أن تعمل معًا في نفس الهيكل.

وفي المستقبل، يمكن توسيع نطاق مفهوم التصميم هذا ليشمل ما يلي: - المواد الخزفية الأخرى (مثل شركة SiC, ANN) لتعظيم أداء درجة الحرارة العالية - الطلب على التشويش في النطاقات الترددية الأخرى (مثل الموجة المنخفضة التردد والمليمترات) - ظروف الخدمة الأكثر تطرفاً (مثل اختبارات الانقلاب الحراري على القوى الحرارية)

يوفر هذا الهيكل المتكامل متعدد الوظائف طريقًا تقنيًا واعدًا لسيناريوهات التطبيق مثل حماية المعدات الإلكترونية عالية الطاقة، وهياكل التخفي الفضائية، وقباب الرادار على متن السفن.

معلومات الاقتباس الورقي: Han, Y. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2026.109764