Aplikasi NanoPartikel di Bidang Penerbangan (Aerodinamik)

Kemajuan dalam penemuan material baru salah satunya memberi kontribusi yang nyata dalam peningkatan daya yang lebih tinggi dan tingkat efisiensi mesin tubin pesawat . Diketahui secara umum bahwa suatu mesin gas turbin merupakan sumber yang menyalurkan tenaga mekanik atau gaya dorong yang memanfaatkan fluida kerja berbentuk gas . Dengan pemanfaatan material baru yang khusus mengalami peningkatan kinerja dalam hal ketahanan temperatur tinggi dapat memberi efek yang cukup signifikan, dimana semakin tinggi kemampuan bahan untuk menahan kondisi temperatur tinggi, maka semakin tinggi pula efisiensi mesin tersebut . 

Evolusi dalam bidang teknik material telah meningkatkan rasio dorong terhadap berat mesin militer menjadi sekitar 4 kali nilai awal. Mesin komersial telah menurunkan konsumsi bahan bakar spesifiknya menjadi sekitar 60%, sedangkan turbin gas industri telah meningkatkan efisiensinya dari 20% menjadi sekitar 35%. Pada temperatur operasi yang tinggi, bilah turbin gas mengalami kondisi servis yang ekstrim, bilah turbin di daerah tersebut dibebani kuat secara sentrifugal sehingga mengalami kecepatan putar dan getaran yang tinggi .

Mesin turbin gas di lingkungan bersuhu tinggi di mana tekanan mekanis yang agresif dapat terjadi dan stabilitas permukaan yang baik diperlukan untuk beroperasi secara lebih efisien. Jadi, investigasi tentang material yang akan mampu membawa teknologi penerbangan ke tingkat berikutnya mulai dipercepat ke arah ini. Dan juga diharapkan bahwa material baru yang digunakan pada mesin turbin gas sebagai material struktural bersuhu tinggi akan melampaui batas mekanik dan fisik superalloy. 

Pengembangan yang dimaksud hanya dapat dicapai dengan memberikan peningkatan sifat-sifat penting dari material struktural seperti kelelahan termal, ketahanan oksidasi, rasio kekuatan/berat, dan ketangguhan patah. Ada dua jenis material yang berbeda yang merupakan kandidat untuk menahan kondisi operasi sekitar 1200oC; yang pertama adalah keramik struktural seperti SiC, Si N34 dan yang kedua adalah silikat struktural seperti MoSi.

Setelah sistem propulsi dengan rasio kekuatan/berat yang tinggi, diamati bahwa pengembangan material baru dengan kekuatan tinggi dan densitas yang rendah diperlukan, sehingga penelitian tentang intermetalik dimulai. Yang paling penting dari senyawa intermetalik ini adalah silikida dan aluminida. Dengan adanya lapisan oksida pada Al O23 , dapat digunakan sebagai bahan pelindung pada aplikasi suhu tinggi. Selain itu, aluminida seperti FeAl, TiAl, Ni3 Al, dapat digunakan untuk beberapa aplikasi khusus pada suhu rendah dan menengah. Terlepas dari keunggulan ini, mereka tetap tidak memadai di atas suhu 1200oC karena titik lelehnya 1400-1600oC. Kekuatan dan ketahanan mulurnya yang rendah tidak cocok untuk suhu di atas 1000oC. Untuk alasan ini, tampaknya silikida dan aluminida adalah bahan yang tepat untuk aplikasi layanan tinggi .

Bilah turbin mengalami dua waktu yang utama dalam pengaplikasiannya yakni saat periode beroperasi dan juga periode stand-by. Bilah tubin mengalami beberapa kondisi umum Dimana diperlukan untuk menahan beban mekanis yang tinggi, yang disebabkan oleh kecepatan rotasi tinggi yang menerapkan beban sentrifugal yang besar, gaya aerodinamis, yang kemudian merupakan suatu fungsi dari kenaikan tekanan melalui setiap tahap bagian kompresor, atau penurunan tekanan di setiap tahap operasional dari turbin suatu pesawat . Bilah turbin mengalami gerakan osilasi pada elemen penampang panasnya, sehingga kelelahan termal dan oksidasi temperatur tinggi dipastikan terjadi . Mesin turbin gas modern untuk aplikasi penerbangan umumnya dianggap menunjukkan tingkat keandalan yang tinggi, dan tingkat kegagalan dianggap rendah. Situasi tersebut ternyata dikendalikan oleh sistem inspeksi yang rigid di mana mesin terpapar, dan kriteria ketat yang diterapkan selama inspeksi.
Perlu dipastikan bahwa hampir semua kegagalan terdeteksi pada tahap awal, sehingga suatu penggantian atau perbaikan sebelum kegagalan benarbenar terjadi dapat dioptimalkan. Bilah turbin mengalami keadaan kerusakan yang berbeda dengan bilah kompresor, yang beroperasi pada suhu yang relatif rendah tetapi mungkin terkena serpihan yang tertelan. Pada bilah turbin beroperasi di lingkungan yang sebagian besar bebas serpihan. Benda asing, pada saat mencapai turbin, telah dicincang secara menyeluruh oleh kompresor dan dibakar oleh api pembakaran, dan tidak mungkin menimbulkan ancaman mekanis, meskipun kemungkinan kontaminasi yang mengarah pada korosi tetap ada. Sumber kerusakan mekanis yang tidak umum adalah erosi dari karbon, yang disimpan sebagai kokas di sekitar nozel injeksi bahan bakar ketika pola semprotan nosel menurun, melewati turbin. Demikian pula, partikel pelapis penghalang termal keramik, sering diterapkan pada permukaan ruang bakar untuk membantu menjaga dinding tetap dingin, terlepas karena kejutan termal dan melewati bagian hilir mesin.
Setiap mesin turbin gas menelan udara dalam jumlah besar saat beroperasi, baik tersedot oleh kompresor atau ditabrak oleh gerakan maju pesawat. Pada aplikasi umum, utamanya militer, paduan baja tahan karat kekuatan tinggi digunakan untuk baris pertama. Dalam hal ini, baris pertama bilah dirancang dengan persyaratan aerodinamisnya, cukup untuk melewati sisa bagian mesin dengan aman, tanpa kerusakan besar pada baling-baling itu sendiri. Konsep ini bekerja dengan baik untuk puing-puing yang lebih besar dan lunak seperti ranting atau burung kecil, tetapi tidak efektif melawan menelan bahan abrasif halus seperti pasir, yang menyebabkan kerusakan karena keausan abrasif pada bilah di seluruh mesin. Tertelannya pasir merupakan masalah utama pada pesawat, terutama helikopter, yang beroperasi dari lapangan pendaratan yang tidak cukup ideal, seperti yang sering ditemukan pada pesawat yang bekerja di bidang kemanusiaan .
Untuk mengontrol berat, bilah turbin biasanya dibuat dari paduan berbahan dasar nikel. Paduan titanium biasanya digunakan di area bertekanan tinggi, yakni bilah turbin beroperasi pada temperatur tinggi di bagian ujung bentuknya. Hingga saat ini paduan dasar nikel yang paling umum digunakan. Penggunaan bilah berongga, terkadang dengan saluran udara melalui interior untuk pendinginan dapat mengurangi berat bilah. Bahan yang paling umum untuk pembuatan bilah turbin adalah bahan ''superalloy'' berbasis nikel . Digunakan baik sebagai tempa dan, lebih populer untuk bilah sebagai coran, paduan ini mampu menahan lingkungan yang sangat agresif dari suhu tinggi dan tekanan tinggi yang ditemukan dalam jalur gas panas dari mesin turbin. Nikel dianggap sebagai bahan dasar yang paling cocok untuk paduan karena menunjukkan, berdasarkan kulit elektron ketiga yang hampir penuh, kapasitas tinggi untuk membentuk paduan stabil tanpa ketidakstabilan fase.
Oksidasi merupakan salah satu faktor yang paling serius pada saat suatu bilah turbin pesawat bekerja. Adanya reaksi bahan dengan oksigen dalam 2-4 atm tekanan parsial yang terjadi menyebabkan sebagian besar oksidasi tidak seragam diterima oleh bilah turbin pesawat . Kelelahan termal sendiri terjadi dengan distribusi yang tidak seragam juga, dimana membuat tekanan interior di zona lebih panas dari suhu rata-rata bilah turbin dan dengan tegangan tarik di zona yang lebih dingin . Kegagalan siklus tinggi jarang terjadi pada bagian turbin gas yang berputar, kecuali beberapa bentuk kerusakan awal, seperti puing-puing yang tertelan telah ditimbulkan atau jika terdapat cacat produksi. Bilah turbin gas dirancang dengan hati-hati untuk menghindari kegagalan siklus tinggi, karena bilah tersebut mengakumulasi siklus tegangan pada tingkat yang luar biasa. Jika kita menganggap turbin berputar pada 35.000 rpm, tidak berarti kecepatan yang luar biasa tinggi, ketidakseimbangan dalam rotor, akan menerapkan siklus tegangan pada laju 2,1 · 106 siklus per jam operasi. Ini cukup untuk mencapai 109 siklus, diterima dalam teknik umum sebagai titik demarkasi untuk kinerja yang dapat diterima dalam sistem yang terpapar kondisi kelelahan, dalam waktu kurang dari 500 jam. Kelelahan siklus rendah adalah masalah yang berbeda.
Terkait dengan siklus tegangan yang jauh lebih besar yang ditimbulkan oleh mulai dan berhenti beroperasi, kegagalan siklus rendah adalah alasan utama pembatasan siklus pada umur komponen.
Pengembangan komposit MoSi2 - Si N 34 merupakan kandidat sebagai matriks dalam sistem komposit yang diperkuat serat C atau SiC. Kombinasi komposit yang diperkuat serat dengan matriks komposit dapat diwakili oleh SiC/MoSi2 – Si3N4. Komposit ini menawarkan kekakuan struktural yang sangat baik, kekuatan spesifik yang tinggi terhadap berat, dan ketahanan lingkungan suhu tinggi yang baik. Aplikasi industri meliputi, filter gas panas, selubung, dan liner combuster. Selain itu, komposit keramik berbasis silikon sedang dipertimbangkan untuk komponen jalur aliran gas panas turbin gas, misalnya bagian transisi pembakar, dan nozel. Produsen mesin roket cair juga melirik komposit keramik dengan harapan mendapatkan efisiensi yang lebih baik pada desain generasi berikutnya. Aplikasi termasuk nosel saluran masuk, rotor turbopump bahan bakar, injektor, ruang bakar, tenggorokan nosel, dan ekstensi nosel. Untuk memaksimalkan properti, pengembang material kini mulai lebih memperhatikan antarmuka yang direkayasa antara matriks dan penguat serat. Jika energi debonding antarmuka dan ketahanan geser rendah, serat dapat menarik diri atau keluar dari matriks dan membentuk jembatan di belakang bagian depan retakan yang maju yang membuat bahan ini rapuh.
Diperkirakan bahwa ketangguhan in situ fase silikon nitrida dalam komposit dua fase MoSi2-Si3N4 akan menghasilkan perbaikan lebih lanjut untuk kandidat matriks ini. Sistem komposit MoSi2–Si3N4 merupakan sistem yang menarik dan penting. Si3N4 dianggap sebagai keramik struktural yang paling penting, karena kekuatannya yang tinggi, ketahanan termal yang baik, dan ketangguhan retak suhu ruangan yang relatif tinggi . Si3N4 dan MoSi2 merupakan paduan yang stabil secara termodinamika pada suhu tinggi.