Chu Yanhui จากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีจีนใต้กล่าวกับ China Science Daily ว่าเซรามิกอาจมีบทบาทสำคัญในการทำหน้าที่เป็นวัสดุฉนวนในเครื่องบินความเร็วเหนือเสียงรุ่นถัดไป

วัสดุเซรามิกที่มีรูพรุนได้รับความนิยมเพิ่มมากขึ้นสำหรับฉนวนกันความร้อนเนื่องจากมีคุณสมบัติที่ดี เช่น น้ำหนักเบา ไม่ทำปฏิกิริยากับสารเคมี และนำความร้อนต่ำ อย่างไรก็ตาม การที่จะให้วัสดุมีความแข็งแรงเชิงกลในขณะที่ยังคงรักษาฉนวนกันความร้อนไว้ได้นั้นถือเป็นความท้าทาย เนื่องจากแผ่นเซรามิกที่มีรูพรุนมักต้องเจาะรูเพิ่มเพื่อให้มีฉนวนกันความร้อนมากขึ้น ซึ่งมักจะทำให้ความแข็งแรงของวัสดุลดลงอย่างมาก นอกจากนี้ วัสดุที่มีรูพรุนมักจะสูญเสียความแข็งแรงและหดตัวเมื่อสัมผัสกับอุณหภูมิสูง

e771ea72 8103 41da ae62 7c1f922eeba4 68262b5a ใหม่.jpeg
คุณสมบัติเหล่านี้ช่วยเพิ่มความแข็งแรงเชิงกลและฉนวนกันความร้อนของวัสดุ ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานในสภาวะที่รุนแรงที่สุด เช่น การบินและอวกาศ นักวิจัยสรุป

ทีมงานจากคณะวิทยาศาสตร์วัสดุและวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยกว่างโจว ซึ่งเป็นผู้พัฒนาเซรามิกชนิดใหม่ กล่าวว่าการออกแบบโครงสร้างวัสดุแบบหลายมาตราส่วนจะช่วยเอาชนะข้อจำกัดที่มีอยู่ได้ รายงานการวิจัยของทีมงานได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Advanced Materials แล้ว

“เซรามิกที่เรียกว่า 9PHEB มีคุณสมบัติที่โดดเด่นและความสามารถในการคงความทนทานที่อุณหภูมิสูงถึง 2,000 องศาเซลเซียส จึงเหมาะสำหรับการใช้งานในสภาวะที่รุนแรง” ชู ซึ่งเป็นผู้นำการวิจัยเขียนไว้ในรายงาน

วัสดุนี้ใช้แนวคิดของโลหะผสมที่มีเอนโทรปีสูง (โลหะผสมที่มีองค์ประกอบรวมกันตั้งแต่ 5 ชนิดขึ้นไป) สำหรับ 9PHEB เป็นโลหะผสมไอออนิกที่มีรูพรุนที่มีประจุบวก 9 ชนิด

ตามที่ผู้เขียนได้กล่าวไว้ 9PHEB มีรูพรุนประมาณ 50 เปอร์เซ็นต์ แต่มีความแข็งแรงในการอัดสูงมากถึง 337 ล้านปาสกาล (MPa) ที่อุณหภูมิห้อง ซึ่งแข็งแกร่งกว่าเซรามิกที่มีรูพรุนที่รู้จักก่อนหน้านี้มาก ในขณะเดียวกัน วัสดุใหม่นี้ยังมีประสิทธิภาพดีในการทดสอบฉนวนและความเสถียรทางความร้อน โดยคงความแข็งแรงที่อุณหภูมิห้องได้ 98.5 เปอร์เซ็นต์ แม้จะอยู่ที่ 1,500 องศา

เมื่อถูกอัดที่อุณหภูมิ 2,000 องศาเซลเซียส ซึ่งแตกต่างจากเซรามิกแบบดั้งเดิมที่มักจะแตกเปราะ 9HPEB จะเกิดการเสียรูปถาวร เมื่อถึงจุดสำคัญนี้ เซรามิกที่มีรูพรุนชนิดใหม่จะเกิดการเสียรูป 49% ซึ่งเทียบเท่ากับความแข็งแรงในการอัด 690 MPa ซึ่งมากกว่าตอนเริ่มต้นถึงสองเท่า

ที่สำคัญ อุณหภูมิที่สูงไม่มีผลกระทบใดๆ อย่างมีนัยสำคัญต่อปริมาตรหรือขนาดของวัสดุ 9HPEB หดตัวเพียงประมาณ 2.4% หลังจากการอบที่ 2,000°C

คุณ Chu กล่าวถึงคุณสมบัติเชิงกลและความร้อนจากการออกแบบ “หลายชั้น” ของเซรามิก: “รูพรุนขนาดเล็กมากในระดับไมโคร อินเทอร์เฟซคุณภาพสูงในระดับนาโน และการบิดเบือนของโครงตาข่ายในระดับอะตอม”

โครงสร้างจุลภาคของรูพรุนเซรามิก ทั้งขนาดและการกระจายตัว มีความสำคัญต่อการออกแบบ ประมาณ 92% ของรูพรุนมีขนาดเล็กมาก โดยวัดได้เพียง 0.8 ถึง 1.2 ไมโครเมตร ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ระบุว่าพารามิเตอร์นี้ทำให้เซรามิกมีคุณสมบัติเป็นฉนวนความร้อนที่ไม่มีใครเทียบได้ ในระดับนาโน เซรามิกจะมีการเชื่อมต่อที่แข็งแรงและปราศจากข้อบกพร่อง ซึ่งช่วยเพิ่มความแข็งแรงเชิงกล และในระดับอะตอม การบิดเบี้ยวของโครงตาข่ายที่เกิดจากการออกแบบที่มีเอนโทรปีสูงจะช่วยเพิ่มความแข็งและลดการนำความร้อน

นักวิจัยสรุปว่าคุณสมบัติเหล่านี้จะเพิ่มความแข็งแรงเชิงกลและคุณสมบัติของฉนวนกันความร้อนของวัสดุ ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานในสภาวะที่รุนแรงที่สุด

จวงเล่ย รองศาสตราจารย์จากคณะวิทยาศาสตร์วัสดุและวิศวกรรมศาสตร์และผู้เขียนร่วม กล่าวกับ China Science Daily ว่า วัสดุดังกล่าวสามารถนำไปประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมต่างๆ ได้อย่างหลากหลาย เช่น อวกาศ พลังงาน และวิศวกรรมเคมี

(ตามข้อมูลของ สธท.)

วัสดุใหม่ๆ จะกำหนดความสำเร็จในการเปลี่ยนผ่านเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ เทคโนโลยีการผลิตเซมิคอนดักเตอร์กำลังพัฒนาอย่างรวดเร็วมาก ซึ่งต้องมีการพัฒนาที่ก้าวล้ำสุดๆ ในด้านของวัสดุและสารเคมีเพื่อรักษาแนวโน้มนี้เอาไว้