مركبات السيراميك
تفاصيل
مع تطور تقنية تحضير الألياف والتقنيات الأخرى ذات الصلة ، تم تطوير الطرق الفعالة لإعداد مثل هذه المواد تدريجياً.لقد جعلت تكنولوجيا التحضير لمركب مصفوفة السيراميك المقوى بالألياف المستمرة أكثر وأكثر نضجًا.في الوقت الحاضر ، تم استخدام مركبات المصفوفة الخزفية المقواة بالألياف على نطاق واسع في مجال الطيران والدفاع الوطني ومجالات أخرى.
تم استخدام مركبات المصفوفة الخزفية المقواة بالألياف المستمرة على نطاق واسع في مجال الطيران.
أصبحت مركبات مصفوفة ألياف كربيد السيليكون (SiCf) / سيراميك كربيد السيليكون (SiC) جيلًا جديدًا من المواد المقاومة للحرارة العالية لمحركات الطائرات.تشتمل مكونات درجة الحرارة العالية للمحرك الهوائي بشكل أساسي على غرفة الاحتراق ، والتوربينات ذات الضغط العالي أو المنخفض والفوهة ، وما إلى ذلك.من بينها ، تشتمل مكونات توربينات الضغط العالي أو المنخفض بشكل أساسي على شفرات التوجيه ، وشفرات الدوار ، وحلقات التوربينات الخارجية.في الماضي ، كانت هذه المكونات مصنوعة أساسًا من السبائك الفائقة.يتم الحفاظ على حد مقاومة درجة الحرارة عند حوالي 1100 ℃.ومع ذلك ، فإن تطبيق مركبات مصفوفة السيراميك SiCf / SiC يحسن مقاومة درجات الحرارة لمكونات المحرك إلى 1200 ~ 1350 ℃.عادة ما تكون جودة مكونات مركبات المصفوفة الخزفية من 1/4 إلى 1/3 أضعاف جودة السبائك الفائقة.هذا لا يحقق الاقتصاد في استهلاك الوقود فحسب ، بل يحسن أيضًا الاقتصاد في استهلاك الوقود.
تتضمن تقنية التحضير الرئيسية لمركبات SiCf / SiC تسلل البخار الكيميائي (CVI) ، تكسير غمر البوليمر (PIP) والسيلينة الذائبة (MI).في عام 2015 ، اعتمدت شركة GE في الولايات المتحدة تقنية التسلل المسبق لتحضير مركبات SiCf / SiC.يمكن تحويل ألياف SiC إلى منتجات نهائية بأي شكل في أقل من 30 يومًا.تحققت شركة GE بنجاح من أول مكون توربيني دوار منخفض الضغط في العالم على آلة التحقق من المحرك المروحي f414.يشير هذا إلى أن مركبات مصفوفة السيراميك المقواة بالألياف المستمرة لها إمكانية تطبيق واسعة في المحركات الهوائية والتوربينات الغازية.في مايو 2021 ، تم اختبار أول محرك بدورة متغيرة تكيفية لشركة GE.تستخدم المواد المركبة الخزفية على نطاق واسع في هذا المحرك ، والتي ستوفر الطاقة لمقاتل الجيل السادس للولايات المتحدة.في الثمانينيات ، بدأت مجموعة Safran Group في فرنسا في استخدام عملية CVI لتحضير الشفرات الدوارة والخلاطات والأقماع المركزية المصنوعة من المواد المركبة SiCf / SiC.تم اختبارها على محرك CFM56 في الاختبار الأرضي.بالإضافة إلى ذلك ، تم التحقق من صحة مكونات الفوهة على طائرات A320 و A380 وطائرات أخرى.يمثل اجتياز شهادة الصلاحية للطيران بداية عصر استخدام المواد المركبة SiCf / SiC لمكونات المحركات الهوائية ذات درجة الحرارة العالية.
مركبات المصفوفة الخزفية هي مواد الحماية الحرارية الرئيسية لرحلة آمنة للمركبات التي تفوق سرعتها سرعة الصوت.سرعة طيران مركبة تفوق سرعتها سرعة الصوت أكبر من أو تساوي 5 أضعاف سرعة الصوت.في مثل هذه الرحلة عالية السرعة ، من الضروري التأكد من أن المكونات الهيكلية الرئيسية للمركبة لن تتضرر بسبب الاحتكاك الشديد للهواء وتأثير تدفق الهواء الساخن حتى 2000 ~ 3000.
تتميز مركبات المصفوفة الخزفية المقواة بالألياف بالعديد من المزايا ، مثل الأداء الممتاز في درجات الحرارة العالية ، والمتانة العالية ، والقوة النوعية العالية ، والمعامل النوعي العالي ، والاستقرار الحراري الجيد ، والتي يمكن أن تتغلب بشكل فعال على الحساسية للتشققات والصدمات الحرارية.كما أن لديها تطبيقات مهمة وسوقًا واسعًا في مجال الحماية الحرارية القابلة لإعادة الاستخدام.في الوقت الحاضر ، تم تطوير مواد العزل الحراري المركبة ذات المصفوفة الخزفية من مادة واحدة إلى نظام حماية حراري جديد يجمع بين المواد والهياكل.في الوقت نفسه ، يتطور أيضًا من التصميم التقليدي للحماية من الحرارة والعزل الحراري وتحمل الأحمال بشكل منفصل إلى اتجاه الضوء للحماية من الحرارة والعزل الحراري والتكامل الحامل.
تتميز مركبات المصفوفة الخزفية المقواة بالألياف بالعديد من الخصائص الممتازة مثل مقاومة درجات الحرارة العالية ومقاومة الاجتثاث والقوة العالية والعزل الكهربائي المنخفض والفقد المنخفض والموثوقية العالية.يجب أن تكون المادة الأساسية للرادوم ، والتي تعد واحدة من الاختناقات والتقنيات الصعبة في تطوير الصواريخ والطائرات المقاتلة الجديدة.في الوقت الحاضر ، هناك مواد مركبة بشكل أساسي مثل الكوارتز ، سيراميك الكوارتز المقوى بالألياف ، سيراميك نيتريد السيليكون المقوى بألياف الكوارتز ، سيراميك نيتريد السيليكون المقوى بألياف النيتريد وما إلى ذلك.تتمتع جميعها بخصائص شاملة ممتازة مثل مقاومة درجات الحرارة العالية ، ونقل الموجات ، وتحمل وإطلاق الحرارة وما إلى ذلك.خلال الفترة من 2016 إلى 2020 ، أجرى معهد Shandong لأبحاث وتصميم الخزف الصناعي بحثًا منهجيًا حول نسيج ألياف النيتريد المستمر ونظام نيتريد السيليكون المقوى بألياف النيتريد.تتميز المواد المركبة التي طورتها الشركة بمقاومة ممتازة للتذرية وخصائص عازلة ممتازة وخصائص ميكانيكية جيدة.في ظل ظروف التدفق الحراري العالي والمحتوى الحراري ، يمكنها تحمل درجة حرارة عالية تصل إلى 2700 ℃ واختبار الاجتثاث طويل المدى.يجب أن يكون جيلًا جديدًا من المواد المركبة التي تنقل الموجات الخزفية التي يمكنها تلبية متطلبات السرعة العالية والتحمل الطويل والاستئصال المنخفض ونقل الموجة العالية في المستقبل.
لقد تطورت بسرعة في المجال المدني.
التطبيق في نظام الفرامل
تم استخدام مركبات C / C-SiC في أنظمة الفرامل ، حيث أن المادة ذات كثافة منخفضة ، ومقاومة تآكل جيدة ، ومعامل احتكاك ثابت ومستقر ، ومقاومة الصدمات الحرارية ، ومقاومة الأكسدة وغيرها من المزايا.هذا النوع من أقراص الفرامل خفيف الوزن ومقاوم لدرجة الحرارة العالية و 2.5 مرة أعلى في السعة الحرارية المحددة من الفولاذ.بالمقارنة مع نظام الفرامل المعدني ، فإن قرص الفرامل هذا يمكن أن يوفر 40٪ من الوزن الهيكلي.عمر خدمة قرص الفرامل الكربونية هو 5-7 مرات من القاعدة المعدنية.بشكل خاص ، عزم الكبح مستقر والضوضاء صغيرة عند الكبح.تم تطبيق قرص الفرامل الكربوني المركب C / C-SiC في المواقف العملية.
تطبيق في علم الأحياء
مادة C / C المركبة هي مادة طبية حيوية جديدة محتملة ، لها إمكانية تطبيق جيدة في إصلاح العظام البشرية واستبدال العظام.في الوقت الحاضر ، تم استخدام المواد المركبة C / C في الحوض وجبيرة العظام وإبرة العظام في مجال العيادة.تم الإبلاغ أيضًا عن استخدام هذه المادة كمواد إصلاح للأذن الوسطى لصمامات القلب الاصطناعية.وقد حقق أيضًا تأثيرًا جيدًا للتطبيق السريري في الجذر الاصطناعي.
التطبيق في عنصر التسخين
مولد حرارة الجرافيت منخفض القوة وهش ويصعب معالجته ونقله.تتميز المواد المركبة C / C بمزايا القوة العالية والمتانة الجيدة ومقاومة درجات الحرارة العالية وما إلى ذلك.يمكن أن تقلل هذه المادة من حجم جسم التسخين ، وتوسيع منطقة العمل وما إلى ذلك.
التطبيق في مجال حماية البيئة
نجحت شركة Shandong Industrial Ceramics Research and Design Institute Co.، Ltd. ، في تطوير نوع جديد من أنبوب الغشاء الوظيفي المركب من ألياف السيراميك في السنوات الأخيرة.هذه المادة المركبة عبارة عن مادة تنقية للغاز ذات درجة حرارة عالية تدمج وظائف تنقية الجسيمات عالية الكفاءة ووظائف نزع النيتروجين التحفيزية ، والتي يمكن أن تزيل بشكل فعال جزيئات السخام وأكاسيد النيتروجين عند درجة حرارة عالية (فوق 250 درجة مئوية).يتميز هذا النوع من المواد بمزايا كفاءة الترشيح العالية ، ومقاومة درجات الحرارة العالية ، والنشاط التحفيزي الجيد لدرجات الحرارة العالية ، وكفاءة تحويل أكاسيد النيتروجين العالية ، وعمر الخدمة الطويل وما إلى ذلك.يمكن لدقة الترشيح أن تعترض 0.1 ميكرومتر من الجزيئات وأقل انبعاث لها هو 1 مجم / متر مكعب.مقاومته لدرجة الحرارة تصل إلى 650 ℃.بشكل خاص ، يمكن أن يصل معدل إزالة أكسيد النيتروجين إلى أكثر من 97٪.تم استخدام الغشاء الوظيفي المركب من ألياف السيراميك على نطاق واسع في تنقية الغاز بدرجة حرارة عالية في مواد البناء ، والحرق ، وفحم الكوك ، وتوليد طاقة الكتلة الحيوية وغيرها من المجالات.
حتى الآن ، لا تزال هناك العديد من الصعوبات التقنية التي يتعين التغلب عليها.
بدأ البحث عن مركبات المصفوفة الخزفية في الصين في وقت متأخر نسبيًا.ومع ذلك ، فقد تم تحقيق اختراقات كبيرة في السنوات الأخيرة.فيما يتعلق بألياف السيراميك عالية الأداء ، حققت الألياف الرئيسية مثل كربيد السيليكون وأكسيد الألومنيوم ونتريد السيليكون والنتريد وغيرها اختراقات في التكنولوجيا الهندسية والتصنيع.تم تحسين تكنولوجيا التحضير ، وتكنولوجيا المعالجة ، وتكنولوجيا الاتصال ، وتكنولوجيا تقييم الموثوقية وتكنولوجيا تطبيق مركبات مصفوفة السيراميك بشكل كبير.تم تصميم العديد من مكونات المحركات الهوائية وتطويرها وتقييمها.ومع ذلك ، لا تزال هناك فجوة كبيرة في المقارنة مع الدول المتقدمة مثل أوروبا وأمريكا واليابان وغيرها.من حيث التحقق من تقييم المكونات والتطبيق ، لا تزال الصين في مهدها.نطاق التطبيق ووقت التقييم التراكمي محدودان للغاية.هناك أيضًا فجوة كبيرة مقارنة ببحوث التطبيقات الهندسية الأجنبية.
من أجل تحقيق تطبيق مركبات المصفوفة الخزفية في المكونات عالية الحرارة للمحركات الهوائية ، هناك صعوبات فنية يجب حلها بشكل أساسي:
1) لتطوير ألياف خزفية عالية الأداء ممثلة بألياف كربيد منخفضة التكلفة ودرجة حرارة عالية وتقنياتها المركبة ؛
2) لاختراق كربيد السيليكون ، أكسيد الألومنيوم ، نيتريد السيليكون ، نيتريد البورون ، نيتروجين البورون السيليكوني والألياف الأخرى وتكنولوجيا التحضير الهندسي المستقر لسلائفها ؛
3) لتطوير تكنولوجيا تصنيع سريعة ومنخفضة التكلفة لمركبات مصفوفة السيراميك ؛
4) لاختراق التقنيات الرئيسية في السلسلة الصناعية الكاملة لمركبات المصفوفة الخزفية ، وتحقيق التنسيق الفعال للتقنيات ذات الصلة ؛
5) تقوية البحث عن البنية الجوهرية وآلية الفشل لمركبات المصفوفة الخزفية ، وإنشاء نموذج تنبؤ للحياة ؛
6) تعزيز البحث في الجانب التطبيقي ووضع نظام ومعايير التقييم ؛
في السوق الحالية ، تشتمل مركبات المصفوفة الخزفية ذات الطلب العالي في السوق بشكل أساسي على مصفوفة سيراميك كربيد السيليكون المقوى بألياف كربيد السيليكون (SiCf / SiC) ومركبات مصفوفة سيراميك كربيد السيليكون المقوى بألياف الكربون (CF / SiC).من بينها ، تعتبر الأولى واحدة من أكثر المواد الواعدة لمحرك الهواء في المستقبل ، والتي تعد أيضًا المادة الأساسية لتحسين أداء المحرك الهوائي.في المستقبل ، تعد إمكانات تطوير سوق المواد المركبة الخزفية المحلية ضخمة.
مركب مصفوفة السيراميك (CMC)
تعريف
يمكن تقسيم المركبات إلى ثلاث فئات حسب الركائز المختلفة:
مركب مصفوفة البوليمر (PMC)
مركب المصفوفة المعدنية (MMC)
مركب مصفوفة السيراميك (CMC)
من بينها ، يلعب تطبيق PMC دورًا رائدًا في مجال الطيران.سوف ترتبط المواد المركبة المذكورة بمصطلحات مثل البلاستيك بالحرارة ، CFRP (مركب قائم على البوليمر المقوى بألياف الكربون) وما إلى ذلك.
