Саяхан би сансар судлалын материалын судалгааны хүрээлэнд ажилладаг хуучин ангийнхантайгаа оройн хоол идсэн. Бид тэдний хамгийн сүүлийн үеийн төслүүдийн талаар ярилцахад тэр надад нууцлаг байдлаар “Бидний одоо ямар шинэ материал хамгийн их сонирхож байгааг та мэдэх үү? Та итгэхгүй байж магадгүй - энэ бол нарийн ногоон элс шиг харагддаг нунтаг юм” гэж хэлэв. Миний гайхсан царайг хараад тэр инээмсэглээд “Ногоон цахиурын карбидын бичил нунтаг", чи үүний талаар сонссон уу? Энэ зүйл сансар судлалын салбарт жижиг хувьсгал хийх гэж байж магадгүй." Үнэнийг хэлэхэд би эхэндээ эргэлзэж байсан: нунтаглах дугуй болон зүсэх дискэнд түгээмэл хэрэглэгддэг зүлгүүрийн материал нь нарийн төвөгтэй сансар судлалын салбартай хэрхэн холбоотой байж болох вэ? Гэхдээ түүний цааш нь тайлбарлах үед би үүний талаар бодож байснаас хамаагүй илүү ихийг ойлгосон. Өнөөдөр энэ сэдвээр ярилцъя.
I. Энэхүү “Ирээдүйтэй материал”-тай танилцах нь
Ногоон цахиурын карбид нь үндсэндээ цахиурын карбидын (SiC) нэг төрөл юм. Ердийн хар цахиурын карбидтой харьцуулахад энэ нь илүү цэвэршилттэй, бага хольцтой тул өвөрмөц цайвар ногоон өнгөтэй байдаг. Үүнийг яагаад "микро нунтаг" гэж нэрлэдэг вэ гэвэл энэ нь түүний маш жижиг хэсгүүдийн хэмжээг хэлдэг бөгөөд ихэвчлэн хэдэн микрометрээс хэдэн арван микрометр хүртэл байдаг - хүний үсний диаметрийн аравны нэгээс хагас орчим. "Үүнийг зүлгүүрийн салбарт одоо ашиглаж байгаад бүү хуурт" гэж ангийн маань найз хэлэв, "энэ нь үнэндээ маш сайн шинж чанартай: өндөр хатуулаг, өндөр температурт тэсвэртэй, химийн тогтвортой байдал, дулааны тэлэлтийн бага коэффициент. Эдгээр шинж чанарууд нь сансар судлалын салбарт бараг зориулагдсан байдаг."
Хожим нь би хэсэг судалгаа хийж үзээд энэ нь үнэхээр үнэн болохыг олж мэдсэн. Ногоон цахиурын карбидын хатуулаг нь алмааз болон куб борын нитридийн дараа ордог; агаарт исэлдэлтгүйгээр 1600°C орчим өндөр температурыг тэсвэрлэх чадвартай; мөн дулааны тэлэлтийн коэффициент нь ердийн металлын дөрөвний нэгээс гуравны нэг хүртэл байдаг. Эдгээр тоо баримтууд жаахан хоосон мэт санагдаж болох ч материалын гүйцэтгэлийн шаардлага маш хатуу байдаг сансар судлалын салбарт параметр бүр асар их үнэ цэнийг авчирч чадна.
II. Жин хасах нь: Сансрын хөлгийн мөнхийн эрэл хайгуул
"Агаарын сансрын тээврийн хувьд жин хасах нь үргэлж гол түлхүүр байдаг" гэжсансар судлалинженер надад хэлсэн. "Хэмнэсэн жингийн килограмм бүр түлшний хэмжээг ихээхэн хэмнэх эсвэл ачааг нэмэгдүүлэх боломжтой." Уламжлалт металл материалууд жин хасах тал дээр аль хэдийн хязгаартаа хүрсэн тул хүн бүрийн анхаарал керамик материал руу чиглэж байна. Ногоон цахиурын карбидоор бэхжүүлсэн керамик матрицын нийлмэл материалууд нь хамгийн ирээдүйтэй нэр дэвшигчдийн нэг юм. Эдгээр материалууд нь ихэвчлэн куб сантиметр тутамд ердөө 3.0-3.2 грамм нягтралтай байдаг бөгөөд энэ нь гангаас (куб сантиметр тутамд 7.8 грамм) хамаагүй хөнгөн бөгөөд титан хайлшаас (куб сантиметр тутамд 4.5 грамм) илэрхий давуу талтай. Хамгийн чухал нь жинг бууруулахын зэрэгцээ хангалттай бат бөх чанарыг хадгалдаг.
"Бид хөдөлгүүрийн бүрхүүлд ногоон цахиурын карбидын нийлмэл материалыг ашиглах талаар судалж байна" гэж сансрын хөдөлгүүрийн дизайнер мэдэгдэв. "Хэрэв бид уламжлалт материалыг ашигласан бол энэ бүрэлдэхүүн хэсэг 200 килограмм жинтэй байх байсан бол шинэ нийлмэл материалын тусламжтайгаар үүнийг 130 орчим килограмм болгон бууруулж болно. Хөдөлгүүрийн нийт жингийн хувьд энэхүү 70 килограммын бууралт нь мэдэгдэхүйц юм." Бүр илүү сайн нь жин бууруулах нөлөө нь каскад юм. Хөнгөн бүтцийн бүрэлдэхүүн хэсгүүд нь домино эффект шиг тулгуур бүтцийн жинг харгалзах байдлаар бууруулах боломжийг олгодог. Судалгаагаар сансрын хөлөгт бүтцийн бүрэлдэхүүн хэсгийн жинг 1 килограммаар бууруулах нь эцэстээ системийн түвшний жинг 5-10 килограммаар бууруулахад хүргэдэг болохыг харуулсан.
III. Өндөр температурын эсэргүүцэл: Хөдөлгүүрийн "тогтворжуулагч"
Агаарын хөдөлгүүрийн ажиллах температур байнга нэмэгдэж байна; дэвшилтэт турбо сэнсний хөдөлгүүрүүд одоо турбины оролтын температур 1700°C-аас давсан байна. Энэ температурт олон өндөр температурт хайлш хүртэл эвдэрч эхэлдэг. "Хөдөлгүүрийн халуун хэсгийн эд ангиуд одоогоор материалын гүйцэтгэлийн хязгаарыг давж байна" гэж судалгааны хүрээлэнгийн ангийн найз маань хэлэв. "Бидэнд бүр ч өндөр температурт тогтвортой ажиллах боломжтой материал яаралтай хэрэгтэй байна." Ногоон цахиурын карбидын нийлмэл материалууд энэ чиглэлээр чухал үүрэг гүйцэтгэж чадна. Цэвэр цахиурын карбид нь идэвхгүй орчинд 2500°C-аас дээш температурыг тэсвэрлэх чадвартай боловч агаарт исэлдэлт нь түүний хэрэглээг 1600°C орчимд хязгаарладаг. Гэсэн хэдий ч энэ нь ихэнх өндөр температурт хайлшаас 300-400°C өндөр хэвээр байна.
Хамгийн чухал нь энэ нь өндөр температурт өндөр бат бэхийг хадгалдаг. "Металл материалууд өндөр температурт 'зөөлрүүлж', мэдэгдэхүйц мөлхөлт үзүүлдэг' гэж материалын туршилтын инженер тайлбарлав. "Гэхдээ цахиурын карбидын нийлмэл материалууд нь өрөөний температурын бат бэхийн 70 гаруй хувийг 1200°C-д хадгалж чаддаг бөгөөд энэ нь металл материалын хувьд маш хэцүү байдаг." Одоогоор зарим судалгааны байгууллагууд ... ашиглахыг оролдож байна.ногоон цахиурын карбидцоргоны чиглүүлэгч сэнс болон шаталтын камерын доторлогоо зэрэг эргэлддэггүй эд анги үйлдвэрлэх зориулалттай нийлмэл материалууд. Хэрэв эдгээр хэрэглээг амжилттай хэрэгжүүлбэл хөдөлгүүрийн түлхэлт болон үр ашиг цаашид сайжирна гэж найдаж байна. IV. Дулааны менежмент: Дулааныг "дуулгавартай" болгох
Сансрын хөлөг сансарт хэт халуун орчинтой тулгардаг: нар туссан тал нь 100°C-аас хэтэрч, сүүдэртэй тал нь -100°C-аас доош унаж болно. Энэхүү асар том температурын зөрүү нь материал, тоног төхөөрөмжид ноцтой сорилт учруулдаг. Ногоон цахиурын карбид нь маш сайн дулаан дамжуулалттай байдаг. Түүний дулаан дамжуулалт нь ердийн металлаас 1.5-3 дахин, ердийн керамик материалаас 10 дахин их байдаг. Энэ нь дулааныг халуун газраас хүйтэн газар руу хурдан шилжүүлж, орон нутгийн хэт халалтыг бууруулдаг гэсэн үг юм. "Бид хиймэл дагуулын дулааны хяналтын системд ногоон цахиурын карбидын нийлмэл материалыг ашиглах талаар бодож байгаа бөгөөд жишээлбэл, дулааны хоолойн бүрхүүл эсвэл дулаан дамжуулагч суурь болгон бүхэл системийн температурыг илүү жигд болгохыг зорьж байна" гэж сансрын нисэхийн дизайнер хэлэв.
Үүнээс гадна, түүний дулааны тэлэлтийн коэффициент нь маш бага, ердөө 4×10⁻⁶/℃ буюу хөнгөн цагааны хайлшийн тавны нэг орчим юм. Температурын өөрчлөлтөөс хамааран хэмжээ нь бараг өөрчлөгддөггүй бөгөөд энэ шинж чанар нь сансар огторгуйн оптик систем болон антенны системд онцгой ач холбогдолтой бөгөөд нарийн тохируулга шаарддаг. "Төсөөл дөө," гэж дизайнер жишээ татав, "тойрог замд ажиллаж байгаа, нар туссан болон сүүдэртэй талуудын хооронд хэдэн зуун градусын температурын зөрүүтэй том антенн байна гэж төсөөлөөд үз дээ. Хэрэв уламжлалт материалыг ашиглавал дулааны тэлэлт ба агшилт нь бүтцийн деформаци үүсгэж, чиглүүлэлтийн нарийвчлалд нөлөөлж болзошгүй. Хэрэв бага тэлэлттэй ногоон цахиурын карбидын нийлмэл материалыг ашиглавал энэ асуудлыг ихээхэн арилгаж болно."
V. Нууцлал ба хамгаалалт: Зөвхөн "тэсвэрлэх"-ээс илүү зүйл
Орчин үеийн сансрын тээврийн хэрэгслүүд нууцлаг байдлын гүйцэтгэлд улам бүр өндөр шаардлага тавьж байна. Радарын нууцлалыг голчлон хэлбэр дүрслэх, радар шингээх материалаар дамжуулан хийдэг бөгөөд ногоон цахиурын карбид нь энэ чиглэлээр хянах боломжтой. "Цэвэр цахиурын карбид бол хагас дамжуулагч бөгөөд түүний цахилгаан шинж чанарыг допингоор тохируулж болно" гэж функциональ материалын мэргэжилтэн танилцуулав. "Бид тодорхой давтамжийн хүрээнд радарын долгионыг шингээх тодорхой эсэргүүцэлтэй цахиурын карбидын нийлмэл материалыг зохион бүтээж чадна." Хэдийгээр энэ тал нь судалгааны шатандаа явж байгаа ч зарим лабораториуд X зурвасын (8-12 GHz) радар шингээх сайн гүйцэтгэлтэй цахиурын карбид дээр суурилсан нийлмэл материалын дээжийг аль хэдийн үйлдвэрлэжээ.
Орон зайг хамгаалах тал дээр хатуулгийн давуу талногоон цахиурын карбидмөн илэрхий байна. Сансарт олон тооны микрометор болон сансрын хог хаягдал байдаг. Хэдийгээр тус бүрийн масс маш бага боловч хурд нь маш өндөр (секундэд хэдэн арван километр хүртэл) бөгөөд энэ нь маш өндөр цохилтын энерги үүсгэдэг. "Бидний туршилтууд нь ногоон цахиурын карбидын нийлмэл материалууд нь ижил зузаантай хөнгөн цагаан хайлштай харьцуулахад өндөр хурдтай бөөмсийн цохилтод 3-5 дахин их тэсвэртэй болохыг харуулж байна" гэж сансрын хамгаалалтын судлаач хэлэв. "Хэрэв ирээдүйд сансрын станцууд эсвэл гүний сансрын зондуудын хамгаалалтын давхаргад ашиглавал аюулгүй байдлыг мэдэгдэхүйц сайжруулж чадна."
Агаарын тээврийн хөгжлийн түүх бол нэг талаараа материалын хөгжлийн түүх юм. Мод, зотон даавуунаас эхлээд хөнгөн цагаан хайлш, дараа нь титан хайлш, нийлмэл материал хүртэл материалын инноваци бүр онгоцны гүйцэтгэлд үсрэлт авчирсан. Магадгүй ногоон цахиурын карбидын нунтаг болон түүний нийлмэл материалууд нь дараагийн үсрэлтийн чухал хөдөлгөгч хүчний нэг байх болов уу. Лабораторид шаргуу судалгаа хийж, үйлдвэрүүдэд шилдэг бүтээл гаргахыг эрмэлзэж буй материалын эрдэмтэд тэнгэрийн ирээдүйг чимээгүйхэн өөрчилж байж магадгүй юм. Энэхүү энгийн мэт санагдах ногоон цахиурын карбид нь тэдний гарт байгаа "шидэт нунтаг" болж, хүн төрөлхтнийг илүү өндөр, хол, аюулгүй нисэхэд тусалдаг байж магадгүй юм.