ความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องของเทคโนโลยีการบินและอวกาศกำหนดข้อกำหนดที่เข้มงวดอย่างยิ่งต่อประสิทธิภาพของวัสดุ เซรามิกเมทริกซ์คอมโพสิต (CMC) ซึ่งเป็นความสำเร็จอันล้ำสมัยในศาสตร์วัสดุสมัยใหม่ ได้กลายมาเป็นวัสดุประสิทธิภาพสูงที่สำคัญ ด้วยคุณสมบัติที่โดดเด่น เช่น ความทนทานต่ออุณหภูมิสูง ความหนาแน่นต่ำ ความแข็งแรงจำเพาะและโมดูลัสสูง และความเสถียรทางเคมีที่ยอดเยี่ยม CMC จึงมีศักยภาพในการนำไปประยุกต์ใช้อย่างมหาศาลในภาคการบินและอวกาศ และได้กลายเป็นหนึ่งในประเด็นสำคัญของการวิจัยในปัจจุบัน การได้รับความเข้าใจอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับสถานะปัจจุบันและโอกาสในอนาคตของ CMC ในการใช้งานด้านการบินและอวกาศมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการขับเคลื่อนนวัตกรรมในเทคโนโลยีการบินและอวกาศต่อไป
ในขณะที่วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีมีวิวัฒนาการ การวิจัยด้านอวกาศยังคงผลักดันให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้นและรองรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรงยิ่งขึ้น ซึ่งวัสดุมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งยวด ด้วยคุณสมบัติเฉพาะตัว คอมโพสิตเมทริกซ์เซรามิกจึงค่อยๆ กลายเป็นกำลังสำคัญในการขับเคลื่อนความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีในอุตสาหกรรมการบิน
คอมโพสิตเมทริกซ์เซรามิก คือวัสดุคอมโพสิตที่ประกอบด้วยสามส่วน ได้แก่ เมทริกซ์เซรามิก วัสดุเสริมแรง และชั้นระหว่างเฟส แนวคิดของ CMC ถูกเสนอครั้งแรกในช่วงทศวรรษ 1970 โดยศาสตราจารย์โรเจอร์ นาสแลง แห่งมหาวิทยาลัยบอร์โดซ์ ประเทศฝรั่งเศส CMC เป็นทางเลือกแทนโลหะผสมแบบดั้งเดิม มีข้อดีหลายประการที่ทำให้เหมาะสำหรับส่วนประกอบโครงสร้างต่างๆ ในงานด้านการบินและอวกาศ:
เครื่องยนต์อากาศยาน ซึ่งเป็น “หัวใจ” ของอากาศยานสมัยใหม่ มุ่งมั่นพัฒนาอย่างต่อเนื่องในด้านความสามารถในการทนอุณหภูมิสูง การลดน้ำหนัก และความทนทาน ซูเปอร์อัลลอยแบบนิกเกิลทั่วไปมีข้อจำกัดด้านจุดหลอมเหลวและความหนาแน่น และไม่สามารถตอบโจทย์ความต้องการอัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนักที่สูงและประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงของเครื่องยนต์รุ่นใหม่ได้ ด้วยคุณสมบัติที่ทนทานต่ออุณหภูมิสูง ความหนาแน่นต่ำ และความทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างเหนือชั้น CMC จึงกลายเป็นวัสดุทดแทนโลหะผสมแบบดั้งเดิมในส่วนประกอบเครื่องยนต์ปลายร้อนได้อย่างปฏิวัติวงการ ตั้งแต่หัวฉีดและชิ้นส่วนเผาไหม้ไปจนถึงชิ้นส่วนเทอร์ไบน์ CMC ได้กำหนดขอบเขตการออกแบบเครื่องยนต์ใหม่ และขับเคลื่อนระบบขับเคลื่อนไปสู่ประสิทธิภาพที่สูงขึ้นและความยั่งยืนด้านสิ่งแวดล้อม ความก้าวหน้าทางวิศวกรรมล่าสุดเป็นสัญญาณว่าวัสดุสำหรับเครื่องยนต์อากาศยานได้เข้าสู่ “ยุคเซรามิก” อย่างเป็นทางการแล้ว
คอมโพสิต C/SiC และ SiC/SiC มีความแข็งแรงเพียงพอ ทนทานต่อการเกิดออกซิเดชัน และทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิภายใต้สภาวะที่รุนแรง จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับชิ้นส่วนโครงสร้างที่อุณหภูมิสูง ยกตัวอย่างเช่น เครื่องยนต์ของเหลว Ariane HM7 ขององค์การอวกาศยุโรปใช้ C/SiC สำหรับส่วนต่อขยายหัวฉีด ทำงานที่ความดันห้องเผาไหม้ 3.5 MPa และอุณหภูมิสูงถึง 3350 K โดยผ่านการทดสอบสภาพเต็มเวลานานกว่า 1,600 วินาที การตรวจสอบประสิทธิภาพแสดงให้เห็นถึงความต้านทานการสึกกร่อนที่ดีเยี่ยม โดยไม่มีการสูญเสียวัสดุหรือการเสื่อมสภาพของโครงสร้างที่ตรวจพบได้ ซึ่งเหนือกว่าวัสดุแบบสึกกร่อนทั่วไป
ซาฟราน บริษัทการบินและอวกาศสัญชาติฝรั่งเศส ได้พัฒนา CMC ที่สามารถซ่อมแซมตัวเองได้ โดยเสริมแรงด้วยเส้นใยซิลิคอนคาร์ไบด์ประสิทธิภาพสูงและแผ่นกั้นออกซิเดชันโบรอนไนไตรด์ ซึ่งสามารถแก้ไขปัญหาความเสียหายของวัสดุในสภาพแวดล้อมที่มีออกซิเดชันสูงได้สำเร็จ ซาฟรานและแพรตต์ แอนด์ วิทนีย์ ได้ร่วมกันทดสอบชิ้นส่วนซีล CMC-SiC ในเครื่องยนต์ซีรีส์ F100 ซึ่งผ่านการทดสอบนานถึง 1,300 ชั่วโมง รวมถึง 100 ชั่วโมงที่อุณหภูมิ 1,200°C ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความน่าเชื่อถือที่อุณหภูมิสูงอย่างเหนือชั้น ชิ้นส่วนซีลใหม่นี้มีน้ำหนักเพียง 50%–60% ของชิ้นส่วนโลหะเดิม พร้อมมอบประสิทธิภาพการป้องกันความล้าจากความร้อนที่เหนือกว่าและอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น
ห้องเผาไหม้ต้องเผชิญกับสภาพแวดล้อมการทำงานที่หนักหน่วงควบคู่กัน ซึ่งรวมถึงการกัดกร่อนของก๊าซที่อุณหภูมิสูง ภาระทางกลเชิงความร้อนแบบวนรอบ การกัดกร่อนของไอน้ำและออกซิเจน และภาวะช็อกจากความร้อนระดับมิลลิวินาที ชิ้นส่วนสำคัญๆ เช่น ท่อเปลวไฟและปลอกหุ้ม ซึ่งเป็นโครงสร้างหมุนขนาดใหญ่ที่มีผนังบาง เป็นส่วนประกอบรับน้ำหนักแบบคงที่ภายใต้ภาระปานกลาง การใช้ CMC อย่างเหมาะสมสามารถปรับปรุงความสามารถในการปรับตัวที่อุณหภูมิสูง ลดน้ำหนักโครงสร้าง และความทนทานต่อสภาพแวดล้อมได้อย่างมีนัยสำคัญ ยกตัวอย่างเช่น ปลอกหุ้ม SiCf/SiC ได้รับการตรวจสอบตลอดวงจรชีวิต และได้นำไปประยุกต์ใช้งานจริงในเครื่องยนต์หลากหลายรุ่นทั่วโลก โครงการเทคโนโลยีเครื่องยนต์กังหันประสิทธิภาพสูงแบบบูรณาการ (IHPTET) ของสหรัฐอเมริกาได้ทดสอบ SiCf/SiC ร่วมกับสารเคลือบป้องกันสิ่งแวดล้อม (EBC) สำหรับปลอกหุ้ม โดยสามารถใช้งานได้ 15,000 ชั่วโมงที่อุณหภูมิสูงถึง 1,200°C พร้อมทั้งลดการปล่อย NOx และ CO2
CMC ออกไซด์ เช่น คอมโพสิตที่มีส่วนประกอบของ Al₂O₃ ซึ่งมีค่าการนำความร้อนต่ำและทนต่อแรงกระแทกจากความร้อนสูง ถูกนำมาใช้ในวัสดุบุผิวด้วยเช่นกัน ทีมวิจัยของศาสตราจารย์ซ็อกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ได้พัฒนา CMC ที่มีรูพรุนและมัลไลต์ที่มีรูปทรงซับซ้อน โดยใช้การแทรกซึมของโซล-เจลและการเกิดพอลิเมอไรเซชันแบบ in situ เสริมแรงด้วยเส้นใย Nextel 720
ด้วยอัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนักที่เพิ่มขึ้น โครงสร้างใบพัดกังหัน โลหะผสมทนอุณหภูมิสูง และสารเคลือบป้องกันความร้อนที่มีอยู่ ต้องเผชิญกับข้อจำกัดด้านประสิทธิภาพในการระบายความร้อนและความแข็งแรงเชิงกล ซึ่งเป็นอุปสรรคต่อความสามารถในการตอบสนองความต้องการในการใช้งานที่มีภาระสูง อายุการใช้งานยาวนานในสภาวะที่รุนแรง
โครงการเครื่องยนต์ F414 ของ GE ได้ทดสอบใบพัดและใบพัดโรเตอร์นำกังหัน CMC-SiC เป็นเวลา 500 รอบการทำงานเต็มของเครื่องยนต์ เมื่อเทียบกับใบพัดระบายความร้อนแบบดั้งเดิม ใบพัด SiCf/SiC แบบไม่ระบายความร้อนช่วยเพิ่มความสามารถในการควบคุมอุณหภูมิได้อย่างมาก และได้ถูกนำมาใช้ในเครื่องยนต์ F136 รุ่นหลังๆ การวิจัยเกี่ยวกับใบพัดและใบพัดนำกังหัน CMC-SiC ยังคงดำเนินต่อไป โดยโครงการ EPM และ UEET ของสหรัฐอเมริกาได้พัฒนาเส้นใยเซรามิก เทคโนโลยีอินเทอร์เฟซ วิธีการเพิ่มความหนาแน่นของเมทริกซ์ และการเคลือบ EBC ขั้นสูง
ในประเทศจีน มหาวิทยาลัยโพลีเทคนิคนอร์ทเวสเทิร์นประสบความสำเร็จในการผลิตใบพัดนำกังหัน SiC/SiC แรงดันสูงโดยใช้ CVD ขณะที่สถาบันวิจัยวัสดุ AECC ได้พัฒนาใบพัดนำกังหัน SiCf/SiC ผ่านการแทรกซึมแบบหลอมเหลวเชิงปฏิกิริยา มหาวิทยาลัยเป่ยหางได้เปรียบเทียบซูเปอร์อัลลอยที่มีส่วนประกอบของนิกเกิลกับ CMC สำหรับกังหันแรงดันต่ำของเครื่องยนต์เทอร์โบแฟน F119-PW-100 และออกแบบใบพัดโรเตอร์แบบตันที่ไม่มีการระบายความร้อนแบบใหม่ ใบพัดนวัตกรรมนี้ช่วยลดความซับซ้อนของระบบระบายความร้อนแบบดั้งเดิม ลดภาระภายนอกบนจานกังหันลงครึ่งหนึ่ง และปรับปรุงประสิทธิภาพของกังหันขึ้น 0.98% ถึง 1.17%
ด้วยประสิทธิภาพที่เหนือชั้นในอุณหภูมิสูง น้ำหนักเบา และทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ CMC จึงกลายมาเป็นวัสดุหลักสำหรับชิ้นส่วนโครงสร้างของเครื่องบิน โดยเฉพาะในบริเวณที่มีอุณหภูมิสูง เช่น ขอบปีกด้านหน้า
ขอบปีกด้านหน้าของเครื่องบิน X-37B ของสหรัฐฯ เป็นหนึ่งในกลุ่มแรกๆ ที่ใช้กระเบื้องเซรามิกเสริมแรงแบบโมโนลิธิกที่ทนต่อการเกิดออกซิเดชัน กระเบื้องเหล่านี้ผสมผสานเซรามิกที่มีรูพรุนทั้งแบบคาร์บอนและซิลิคอนเข้าด้วยกันเพื่อให้ทั้งความทนทานต่ออุณหภูมิสูงและเป็นฉนวนที่มีประสิทธิภาพ ทนทานต่ออุณหภูมิที่รุนแรงสูงสุดถึง 1,697°C ในขณะที่ยังคงความสมบูรณ์ของโครงสร้างไว้ แผ่นปิดปีกและขอบปีกทำจากวัสดุผสม C/SiC พร้อมด้วยเมทริกซ์ SiC ที่เสริมด้วยเส้นใยคาร์บอนเกรด T-300 เพิ่มความหนาแน่นด้วยการแทรกซึมของไอสารเคมี (CVI) และป้องกันด้วยแผ่น EBC ที่ทำจาก SiC เพื่อทนต่อความร้อนสูงตามหลักอากาศพลศาสตร์ที่ความเร็วสูงถึงมัค 25
ห้องปฏิบัติการหลักแห่งชาติจีนสำหรับวัสดุคอมโพสิตโครงสร้างอุณหภูมิสูงพิเศษ (National Key Laboratory for Ultra-High Temperature Structural Composites) แห่งมหาวิทยาลัยโพลีเทคนิคนอร์ทเวสเทิร์น (Northwestern Polytechnical University) ได้พัฒนาความก้าวหน้าทางวิศวกรรมในการประยุกต์ใช้วัสดุคอมโพสิต CMC ขั้นสูง วัสดุคอมโพสิต Cf/SiC ที่ห้องปฏิบัติการพัฒนาขึ้นเองได้เข้ามาแทนที่ชิ้นส่วนปลายร้อนที่สำคัญในเครื่องบิน ด้วยการปรับปรุงการออกแบบพรีฟอร์มไฟเบอร์และกระบวนการ CVI ให้เหมาะสมที่สุด พวกเขาจึงสามารถผลิตชิ้นส่วนที่ซับซ้อน เช่น ขอบปีกและจมูกกรวยได้อย่างครบวงจร ซึ่งนำไปใช้งานบนเครื่องบินได้สำเร็จ
การใช้ CMC กำลังขยายไปสู่โครงลำตัวเครื่องบิน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีที่ต้องการความทนทานต่ออุณหภูมิสูงและการออกแบบที่มีน้ำหนักเบา ยกตัวอย่างเช่น ยาน IXV ขององค์การอวกาศยุโรปใช้ระบบป้องกันความร้อนแบบบูรณาการ C/SiC พร้อมแผง CMC ที่มีความแข็งแกร่งสูงและทนอุณหภูมิสูง เพื่อทนต่อการไหลของพลาสมาที่รุนแรงในระหว่างการกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศ โดยยังคงความสมบูรณ์ของโครงสร้างผ่านกระบวนการทอเส้นใยและกระบวนการเพิ่มความหนาแน่นของเมทริกซ์ที่ปรับให้เหมาะสม
ด้วยคุณสมบัติที่ทนทานต่ออุณหภูมิสูง ความหนาแน่นต่ำ และความแข็งแรงจำเพาะและโมดูลัสสูง CMC จึงกลายเป็นวัสดุสำหรับอากาศยานที่ปฏิวัติวงการ ประสิทธิภาพของวัสดุนี้ขึ้นอยู่กับเมทริกซ์เซรามิก ชนิดของเหล็กเสริม และกระบวนการผลิต ระบบวัสดุและเทคนิคการผลิตที่แตกต่างกันมอบคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีที่เป็นเอกลักษณ์เฉพาะตัว ทำให้สามารถนำไปประยุกต์ใช้กับส่วนประกอบอากาศยานต่างๆ ได้อย่างกว้างขวาง
อย่างไรก็ตาม การประยุกต์ใช้ในระดับใหญ่ยังคงเผชิญกับความท้าทาย:
เนื่องจากเทคโนโลยีการบินและอวกาศมีการพัฒนา ความต้องการ CMC แบบหลายฟังก์ชันจึงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ส่งผลให้มีการพัฒนา CMC รุ่นถัดไปที่รวมการรับน้ำหนักโครงสร้าง การป้องกันความร้อน การป้องกันแม่เหล็กไฟฟ้า และอื่นๆ เข้ามาด้วย
