Keramische Verbundwerkstoffe
Einzelheiten
Mit der Entwicklung der Faserherstellungstechnologie und anderer verwandter Technologien wurden nach und nach effektive Verfahren zur Herstellung solcher Materialien entwickelt.Es hat die Herstellungstechnologie von Endlosfaser-verstärktem Keramikmatrix-Verbundwerkstoff immer ausgereifter gemacht.Gegenwärtig werden Endlosfaser-verstärkte Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe in großem Umfang in der Luft- und Raumfahrt, der Landesverteidigung und anderen Bereichen eingesetzt.
Endlosfaserverstärkte Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix sind auf dem Gebiet der Luft- und Raumfahrt weit verbreitet.
Verbundwerkstoffe aus Siliciumcarbidfaser (SiCf) und Siliciumcarbidkeramik (SiC) sind zu einer neuen Generation von hochtemperaturbeständigen Materialien für Flugzeugtriebwerke geworden.Hochtemperaturkomponenten von Flugtriebwerken umfassen hauptsächlich Brennkammer, Hoch- oder Niederdruckturbine und Düse und so weiter.Darunter umfassen Hoch- oder Niederdruckturbinenkomponenten hauptsächlich Leitschaufeln, Laufschaufeln und Turbinenaußenringe.Früher wurden diese Bauteile hauptsächlich aus Superlegierungen hergestellt.Seine Temperaturbeständigkeitsgrenze wird bei etwa 1100 ℃ gehalten.Die Anwendung von SiCf / SiC-Keramikmatrix-Verbundwerkstoffen verbessert jedoch die Temperaturbeständigkeit von Motorkomponenten auf 1200 ~ 1350 ℃.Die Komponentenqualität von Verbundwerkstoffen mit keramischer Matrix beträgt üblicherweise 1/4 bis 1/3 mal die von Superlegierungen.Dies erreicht nicht nur eine Kraftstoffeinsparung, sondern verbessert auch die Kraftstoffeinsparung.
Die Hauptherstellungstechnik von SiCf/SiC-Verbundwerkstoffen umfasst chemische Dampfinfiltration (CVI), Polymer-Immersionscracken (PIP) und Schmelzsilikonisierung (MI).Im Jahr 2015 übernahm das Unternehmen GE in den USA die Prepreg-Infiltrationstechnik zur Herstellung von SiCf / SiC-Verbundwerkstoffen.SiC-Fasern können in weniger als 30 Tagen in fertige Produkte beliebiger Form umgewandelt werden.GE Company verifizierte erfolgreich die weltweit erste rotierende Niederdruckturbinenkomponente auf der Prüfmaschine für Turbofan-Triebwerke f414.Dies weist darauf hin, dass die endlosfaserverstärkten Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix eine breite Anwendungsperspektive in Flugzeugtriebwerken und Gasturbinen haben.Im Mai 2021 wurde der erste adaptive Variable Cycle Engine xa100 der GE Company getestet.Verbundwerkstoffe mit Keramikmatrix werden häufig in diesem Triebwerk verwendet, das die sechste Generation des US-Kampfflugzeugs mit Energie versorgen wird.In den 1980er Jahren begann die Safran-Gruppe in Frankreich mit dem CVI-Verfahren zur Herstellung von Rotorblättern, Mischern und Mittelkegeln aus SiCf/SiC-Verbundwerkstoffen.Sie wurden im Bodentest am CFM56-Motor getestet.Darüber hinaus wurden die Düsenkomponenten auch auf A320, A380 und anderen Flugzeugen fluggeprüft.Das Bestehen der Lufttüchtigkeitszertifizierung markiert den Beginn der Ära der Verwendung von SiCf/SiC-Verbundwerkstoffen für Hochtemperaturkomponenten von Flugtriebwerken.
Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix sind die wichtigsten Wärmeschutzmaterialien für den sicheren Flug von Hyperschallfahrzeugen.Die Fluggeschwindigkeit eines Hyperschallfahrzeugs ist größer oder gleich der 5-fachen Schallgeschwindigkeit.Bei einem solchen Hochgeschwindigkeitsflug muss sichergestellt werden, dass die wichtigsten Strukturkomponenten des Fahrzeugs nicht durch intensive Luftreibung und den Aufprall heißer Luftströme von bis zu 2000 ~ 3000 ℃ beschädigt werden.
Faserverstärkte Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe haben viele Vorteile, wie z. B. hervorragende Hochtemperaturleistung, hohe Zähigkeit, hohe spezifische Festigkeit, hohen spezifischen Modul und gute thermische Stabilität, die die Empfindlichkeit gegenüber Rissen und Wärmeschock wirksam überwinden können.Es hat auch wichtige Anwendungen und einen breiten Markt im Bereich des wiederverwendbaren Wärmeschutzes.Gegenwärtig wurden Verbundwärmedämmmaterialien mit keramischer Matrix von einem einzigen Material zu einem neuen Wärmeschutzsystem entwickelt, das Materialien und Strukturen kombiniert.Gleichzeitig entwickelt sie sich aber auch von der traditionellen Bauweise von Wärmeschutz, Wärmedämmung und Tragwerk getrennt hin zur Lichtrichtung Wärmeschutz, Wärmedämmung und Tragwerksintegration.
Faserverstärkte Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe haben viele hervorragende Eigenschaften wie hohe Temperaturbeständigkeit, Ablationsbeständigkeit, hohe Festigkeit, niedriges Dielektrikum, geringe Verluste und hohe Zuverlässigkeit.Sie sollen das Schlüsselmaterial von Radomen sein, die zu den Engpässen und schwierigen Technologien bei der Entwicklung neuer Flugkörper und Kampfflugzeuge gehören.Gegenwärtig gibt es hauptsächlich Verbundwerkstoffe wie Quarz, faserverstärkte Quarzkeramik, quarzfaserverstärkte Siliziumnitridkeramik, nitridfaserverstärkte Siliziumnitridkeramik und so weiter.Sie alle haben hervorragende umfassende Eigenschaften wie Hochtemperaturbeständigkeit, Wellenübertragung, Lager- und Wärmeabgabe und so weiter.Im Zeitraum von 2016 bis 2020 hat das Shandong Industrial Ceramics Research and Design Institute Co., Ltd. systematische Forschungen zu kontinuierlichen Nitridfasergeweben und Nitrid-Schnittfaser-verstärkten Siliziumnitrid-Verbundsystemen durchgeführt.Das vom Unternehmen entwickelte Verbundmaterial weist eine hervorragende Ablationsbeständigkeit, hervorragende dielektrische Eigenschaften und gute mechanische Eigenschaften auf.Unter der Bedingung eines hohen Wärmeflusses und einer hohen Enthalpie kann es einer hohen Temperatur von 2700 ℃ und einem Langzeitablationstest standhalten.Es soll sich um eine neue Generation von keramischen wellendurchlässigen Verbundwerkstoffen handeln, die in Zukunft die Anforderungen an hohe Geschwindigkeit, lange Lebensdauer, geringe Ablation und hohe Wellenübertragung erfüllen können.
Im zivilen Bereich hat es sich rasant entwickelt.
Anwendung im Bremssystem
C/C-SiC-Verbundwerkstoffe wurden in Bremssystemen verwendet, da das Material eine geringe Dichte, eine gute Verschleißfestigkeit, einen konstanten und stabilen Reibungskoeffizienten, eine Temperaturwechselbeständigkeit, eine Oxidationsbeständigkeit und andere Vorteile aufweist.Diese Art von Bremsscheibe hat ein geringes Gewicht, eine hohe Temperaturbeständigkeit und eine 2,5-mal höhere spezifische Wärmekapazität als Stahl.Im Vergleich zur Metallbremsanlage können mit dieser Bremsscheibe 40 % des Baugewichts eingespart werden.Die Lebensdauer der Carbon-Bremsscheibe ist 5-7 mal so hoch wie die der Metallbasis.Insbesondere ist das Bremsmoment stabil und das Geräusch beim Bremsen gering.C/C-SiC-Verbundkohlenstoff-Bremsscheiben wurden in praktischen Situationen eingesetzt.
Anwendung in der Biologie
C/C-Verbundwerkstoffe sind ein neues potenzielles biomedizinisches Material, das gute Anwendungsaussichten in der menschlichen Knochenreparatur und im Knochenersatz hat.Gegenwärtig werden C/C-Verbundwerkstoffe in Becken, Knochenschienen und Knochennadeln im klinischen Bereich verwendet.Es wurde auch berichtet, dass dieses Material als Reparaturmaterial für das Mittelohr von künstlichen Herzklappen verwendet wird.Es hat auch einen guten klinischen Anwendungseffekt in der künstlichen Wurzel erzielt.
Anwendung im Heizelement
Wärmeerzeuger aus Graphit haben eine geringe Festigkeit, sind spröde und schwierig zu verarbeiten und zu transportieren.C/C-Verbundwerkstoffe haben die Vorteile von hoher Festigkeit, guter Zähigkeit, hoher Temperaturbeständigkeit und so weiter.Dieses Material kann das Volumen des Heizkörpers reduzieren, den Arbeitsbereich erweitern und so weiter.
Anwendung im Bereich Umweltschutz
Das Shandong Industrial Ceramic Research and Design Institute Co., Ltd. hat in den letzten Jahren erfolgreich eine neue Art von funktionellem Membranrohr aus Keramikfaserverbundwerkstoffen entwickelt.Dieses Verbundmaterial ist ein Hochtemperatur-Gasreinigungsmaterial, das hocheffiziente Partikelreinigungs- und katalytische Denitrierungsfunktionen integriert, die Rußpartikel und Stickoxide bei hohen Temperaturen (über 250 ℃) effektiv entfernen können.Diese Art von Material hat die Vorteile einer hohen Filtrationseffizienz, einer hohen Temperaturbeständigkeit, einer guten katalytischen Aktivität bei hohen Temperaturen, einer hohen NOx-Umwandlungseffizienz, einer langen Lebensdauer und so weiter.Seine Filterpräzision kann Partikel von 0,1 μm abfangen und seine niedrigste Emission beträgt 1 mg/m³.Seine Temperaturbeständigkeit beträgt bis zu 650 ℃.Insbesondere kann die Entfernungsrate von Stickoxiden mehr als 97 % erreichen.Funktionsmembranen aus Keramikfaserverbundwerkstoffen werden häufig in der Hochtemperatur-Gasreinigung in Baumaterialien, Verbrennung, Verkokung, Biomasse-Stromerzeugung und anderen Bereichen eingesetzt.
Bis jetzt sind noch viele technische Schwierigkeiten zu überwinden.
Die Erforschung von Verbundwerkstoffen mit keramischer Matrix begann in China relativ spät.Die wesentlichen Durchbrüche wurden jedoch in den letzten Jahren erzielt.In Bezug auf Hochleistungskeramikfasern haben die Hauptfasern wie Siliziumkarbid, Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, Nitrid und andere Durchbrüche in der Ingenieurtechnologie und Industrialisierung erzielt.Die Herstellungstechnologie, Verarbeitungstechnologie, Verbindungstechnologie, Zuverlässigkeitsbewertungstechnologie und Anwendungstechnologie von Verbundwerkstoffen mit keramischer Matrix wurden stark verbessert.Viele Komponenten von Flugtriebwerken wurden entworfen, entwickelt und bewertet.Im Vergleich zu den fortgeschrittenen Ländern wie Europa, Amerika, Japan usw. besteht jedoch noch eine große Lücke.In Bezug auf die Verifizierung und Anwendung von Komponentenbewertungen steckt China noch in den Kinderschuhen.Der Anwendungsbereich und die kumulative Bewertungszeit sind sehr begrenzt.Auch gegenüber der ausländischen ingenieurwissenschaftlichen Anwendungsforschung besteht eine große Lücke.
Um die Anwendung von Verbundwerkstoffen mit keramischer Matrix in Hochtemperaturkomponenten von Flugzeugtriebwerken zu realisieren, müssen hauptsächlich die folgenden technischen Schwierigkeiten gelöst werden:
1) Entwicklung von Hochleistungs-Keramikfasern, vertreten durch Ultrahochtemperatur- und kostengünstige Karbidfasern und deren Verbundtechnologie;
2) Siliziumkarbid, Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, Bornitrid, Silizium-Bor-Stickstoff und andere Fasern und die technische stabile Herstellungstechnologie seines Vorläufers zu durchbrechen;
3) Entwicklung einer schnellen und kostengünstigen Herstellungstechnologie für Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe;
4) die Schlüsseltechnologien in der gesamten industriellen Kette von Verbundwerkstoffen mit keramischer Matrix zu durchbrechen und eine wirksame Koordinierung verwandter Technologien zu erreichen;
5) Stärkung der Forschung zur intrinsischen Struktur und zum Ausfallmechanismus von Verbundwerkstoffen mit keramischer Matrix und Erstellung eines Lebensdauervorhersagemodells;
6) Stärkung der Forschung auf der Anwendungsseite und Etablierung des Bewertungssystems und der Standards;
Auf dem gegenwärtigen Markt umfassen Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix mit hoher Anwendungsnachfrage auf dem Markt hauptsächlich Verbundwerkstoffe mit siliziumkarbidfaserverstärkter keramischer Siliziumkarbidmatrix (SiCf/SiC) und kohlefaserverstärkter keramischer Matrixverbundwerkstoffe mit Siliziumkarbid (CF/SiC).Unter ihnen gilt ersteres als eines der vielversprechendsten Materialien für das zukünftige Flugzeugtriebwerk, das auch das Schlüsselmaterial zur Verbesserung der Leistung des Flugzeugtriebwerks ist.In Zukunft ist das Entwicklungspotenzial des heimischen Marktes für keramische Verbundwerkstoffe riesig.
Keramik-Matrix-Verbundwerkstoff (CMC)
Definition
Verbundwerkstoffe lassen sich nach den unterschiedlichen Substraten in drei Kategorien einteilen:
Polymer-Matrix-Verbundwerkstoff (PMC)
Metallmatrix-Verbundwerkstoff (MMC)
Keramik-Matrix-Verbundwerkstoff (CMC)
Darunter spielt die Anwendung von PMC in der Luft- und Raumfahrt eine führende Rolle.Die genannten Verbundwerkstoffe werden mit Begriffen wie Duroplast, CFK (carbonfaserverstärkter polymerbasierter Verbundwerkstoff) usw. in Verbindung gebracht.
