01 مقدمة
يُحدث التصنيع الإضافي (AM) للسيراميك ثورة في تصميم وإنتاج المكونات الإلكترونية بالموجات الدقيقة في أنظمة الاتصالات الفضائية. لا غنى عن السيراميك في مثل هذه الأجهزة بسبب خصائصه الكهرومغناطيسية الممتازة، والاستقرار الحراري العالي، والقوة الميكانيكية المتميزة. من خلال AM، يمكن التحكم بدقة في شكل وأبعاد المواد الخزفية، مما يمكنها من تلبية المتطلبات الصارمة للدقة والأداء في إلكترونيات الموجات الدقيقة. علاوة على ذلك، تلعب مكونات التدريع الكهرومغناطيسي دورًا حاسمًا في تقليل التداخل الكهرومغناطيسي وضمان نقل إشارة مستقر. يوفر استخدام السيراميك المُصنّع بشكل إضافي طريقة جديدة لتحسين أداء العزل وتعزيز فعالية التدريع.
معالجة شعاع الليزر والإلكترون
02 المرشحات المصنعة بشكل إضافي
تتميز المواد الخزفية بثبات كيميائي عالي للغاية ومقاومة للتآكل، مما يجعلها مناسبة للاستخدام على المدى الطويل-كمرشحات في البيئات القاسية. علاوة على ذلك، فإن دمج المواد العازلة مع AM يعزز نطاقًا واسعًا من ثوابت العزل الكهربائي (εr). يمكن لنفس المادة العازلة تحقيق قيم εr مختلفة عن طريق تعديل المعلمات مثل حجم الفتحة والهندسة والبنية الهرمية. يتيح ذلك تخصيص المرشحات الخزفية لتلبية متطلبات محددة وتحسين كفاءة الترشيح ودقته.
أحد الأمثلة على ذلك هو مرشح الدليل الموجي العازل الكهربائي المتجانس الذي تم تصنيعه باستخدام تقنية تصنيع السيراميك (LCM) القائمة على الطباعة الحجرية. تم تصميم المرشح ليعمل بتردد 11.5 جيجا هرتز مع عرض نطاق ترددي 850 ميجا هرتز ويتم تصنيعه من قرص عازل -قطعة واحدة، وهو مطلي بالفضة-لتقليد وظيفة الغلاف المعدني التقليدي. توفر تقنية LCM مرونة في التصميم دون الحاجة إلى قوالب مخصصة وتسمح بتصنيع أكثر دقة. تعمل تعدين الهياكل الخزفية على تعزيز مقاومة السيراميك لدرجات الحرارة المرتفعة، ومقاومة التآكل، وخصائص العزل، مع دمجها مع قوة المعادن وتوصيلها لتحسين الأداء.
الشكل 1.(أ) مرشح الدليل الموجي العازل -من الرتبة الرابعة، (ب) BPF يعتمد على مرنان نصف كروي من الرتبة الرابعة، (ج) مرشح ثلاثي النطاق -C.
معالجة شعاع الليزر والإلكترون
03 الرنانات المصنعة بشكل إضافي
الرنانات هي أجهزة إلكترونية قادرة على التذبذب المستقر عند ترددات محددة وتستخدم على نطاق واسع في توليد الترددات ومعالجة الإشارات. تُستخدم إشارات الموجات الدقيقة-والترددات العالية بشكل شائع في اتصالات الأقمار الصناعية وأنظمة الرادار. إن الاستقرار العالي وعامل Q- العالي للرنانات العازلة يجعلها مثالية لمثل هذه التطبيقات.
تعتمد وظيفة الرنانات العازلة على استجابة المواد العازلة للموجات الكهرومغناطيسية. يتم تحديد سرعة انتشار هذه الموجات من خلال εr للمادة، في حين أن حجم وشكل وخصائص المادة العازلة المستخدمة في الرنان تؤثر على تردد الرنين. باستخدام AM، يمكن تصميم وتصنيع الرنانات العازلة لتكون مصغرة وذات أداء عالٍ-، ومصممة خصيصًا لتلبية المتطلبات المختلفة. يؤدي ذلك إلى تحسين انتشار إشارة الرادار وخصائص الانعكاس. يتيح هذا الأسلوب إنتاجًا أكثر تخصيصًا ودقة وفعالية من حيث التكلفة-للرنانات العازلة للكهرباء.
الشكل 2.(أ) مخطط هيكلي للهوائي، (ب) مرنان ثلاثي الوضع، (ج) هوائي مرنان عازل متباين الخواص أحادي المحور.
معالجة شعاع الليزر والإلكترون
04 أجهزة الاستشعار المصنعة بشكل إضافي
تستفيد مستشعرات AM من الأشكال الهندسية والبنيات المعقدة والقابلة للتخصيص. عند دمجها مع الخصائص الكهرضغطية والكهربائية الحرارية والمقاومة الانضغاطية للمواد الخزفية، فإنها تتيح تطبيقات استشعار عالية الدقة -والأداء العالي-.
تتزايد أهمية أجهزة الاستشعار الخزفية الكهرضغطية، التي تتميز بسلوك الاقتران الكهروميكانيكي الفريد، في مجال الطيران. وهي توفر مراقبة دقيقة للضغط ودرجة الحرارة والاهتزاز، وتستخدم على نطاق واسع لتقييم ظروف تشغيل المحركات وجسم الطائرة ومكونات الفضاء الجوية الهامة الأخرى.
نظرًا للهشاشة المتأصلة في السيراميك، أصبح تطوير السيراميك المرن محورًا بحثيًا رئيسيًا. ولمعالجة هذه المشكلة، تم تطوير مستشعر ضغط مركب من السيراميك المرن باستخدام DLP AM، حيث يجمع BaTiO3 مع MWCNTs في راتينج حساس للضوء لتحسين أداء العزل الكهربائي والمرونة الميكانيكية. كما هو موضح في الشكل، تم تصميم هيكل تركيز الضغط على شكل ساعة رملية-- لتعزيز الحساسية. أكد تحليل العناصر المحدودة وتجاربها على تحسين الحساسية الخطية عبر نطاق ضغط واسع، مما يوضح جدوى المعالجة الرقمية للضوء (DLP) في أجهزة الاستشعار المرنة عالية الأداء-.
الشكل 3.(أ) مستشعر الضغط السعوي المرن، (ب) المركبات الكهرضغطية المرنة والتخطيطي لروبوت صغير.
معالجة شعاع الليزر والإلكترون
05 الاستنتاج
يتيح التصنيع الإضافي للسيراميك تخصيص خصائص السيراميك مثل المقاومة العالية للحرارة، والتوصيل الحراري المنخفض، والدرع الكهرومغناطيسي الممتاز، مما يجعلها مثالية لتطبيقات الفضاء الجوي بما في ذلك أنظمة الاتصالات والرادار والحماية الحرارية. بالمقارنة مع التصنيع التقليدي، تقدم AM مزايا كبيرة لمكونات السيراميك المعقدة، مما يوفر مرونة أكبر في التصميم لإنشاء أشكال هندسية معقدة وهياكل خفيفة الوزن. وهذا أمر مهم بشكل خاص في مجال الطيران، حيث يمكن أن يؤدي تقليل الوزن إلى تحسين كفاءة استهلاك الوقود والأداء بشكل كبير.
تدعم AM أيضًا تكامل المكونات، حيث تجمع وظائف متعددة-مثل السلامة الهيكلية، والمقاومة الحرارية، والدرع الكهرومغناطيسي-في جزء واحد، وبالتالي تقليل عدد المكونات وتبسيط عملية التجميع. علاوة على ذلك، تتيح هذه التقنيات إنشاء نماذج أولية سريعة وتعديلات التصميم بناءً على تعليقات الأداء.
