Compuestos cerámicos
Detalles
Con el desarrollo de la tecnología de preparación de fibras y otras tecnologías relacionadas, los métodos efectivos para preparar dichos materiales se han desarrollado gradualmente.Ha hecho que la tecnología de preparación del compuesto de matriz cerámica reforzada con fibra continua sea cada vez más madura.En la actualidad, los compuestos de matriz cerámica reforzados con fibra continua se han utilizado ampliamente en la industria aeroespacial, la defensa nacional y otros campos.
Los compuestos de matriz cerámica reforzados con fibra continua se han utilizado ampliamente en el campo aeroespacial.
Los compuestos de matriz de fibra de carburo de silicio (SiCf)/cerámica de carburo de silicio (SiC) se han convertido en una nueva generación de materiales resistentes a altas temperaturas para motores aeronáuticos.Los componentes de alta temperatura del motor aeronáutico incluyen principalmente la cámara de combustión, la turbina y la boquilla de alta o baja presión, etc.Entre ellos, los componentes de turbinas de alta o baja presión incluyen principalmente álabes guía, álabes de rotor y anillos exteriores de turbina.En el pasado, estos componentes estaban hechos principalmente de superaleaciones.Su límite de resistencia a la temperatura se mantiene en alrededor de 1100 ℃.Sin embargo, la aplicación de compuestos de matriz cerámica SiCf/SiC mejora la resistencia a la temperatura de los componentes del motor a 1200 ~ 1350 ℃.La calidad de los componentes de los compuestos de matriz cerámica suele ser de 1/4 a 1/3 veces mayor que la de las superaleaciones.Esto no solo logra economía de combustible, sino que también mejora la economía de combustible.
La principal técnica de preparación de los compuestos de SiCf/SiC incluye la infiltración de vapor químico (CVI), el agrietamiento por inmersión de polímeros (PIP) y la siliconización por fusión (MI).En 2015, la empresa GE de EE. UU. adoptó la técnica de infiltración de preimpregnados para preparar compuestos de SiCf/SiC.Las fibras de SiC se pueden convertir en productos terminados de cualquier forma en menos de 30 días.GE Company verificó con éxito el primer componente de turbina giratoria de baja presión del mundo en la máquina de verificación de motores turbofan f414.Esto indica que los compuestos de matriz cerámica reforzada con fibra continua tienen una amplia perspectiva de aplicación en motores aeronáuticos y turbinas de gas.En mayo de 2021 se probó el primer motor adaptativo de ciclo variable xa100 de la empresa GE.Los materiales compuestos de matriz cerámica son ampliamente utilizados en este motor, que proporcionará energía para el caza de sexta generación de EE. UU.En la década de 1980, Safran Group en Francia comenzó a utilizar CVI Process para preparar palas de rotor, mezcladores y conos centrales fabricados con materiales compuestos de SiCf/SiC.Han sido probados en el motor CFM56 en la prueba de tierra.Además, los componentes de la tobera también han sido verificados en vuelo en A320, A380 y otras aeronaves.La aprobación de la certificación de aeronavegabilidad marca el advenimiento de la era del uso de materiales compuestos de SiCf/SiC para componentes de alta temperatura de motores aeronáuticos.
Los compuestos de matriz cerámica son los materiales de protección térmica clave para el vuelo seguro de los vehículos hipersónicos.La velocidad de vuelo de un vehículo hipersónico es mayor o igual a 5 veces la velocidad del sonido.En un vuelo de tan alta velocidad, es necesario asegurarse de que los componentes estructurales clave del vehículo no se dañen debido a la intensa fricción del aire y al impacto del flujo de aire caliente de hasta 2000 ~ 3000 ℃.
Los compuestos de matriz cerámica reforzados con fibra tienen muchas ventajas, como un excelente rendimiento a altas temperaturas, alta tenacidad, alta resistencia específica, alto módulo específico y buena estabilidad térmica, que pueden superar de manera efectiva la sensibilidad a las grietas y al choque térmico.También tiene importantes aplicaciones y un amplio mercado en el campo de la protección térmica reutilizable.En la actualidad, los materiales de aislamiento térmico compuestos de matriz cerámica se han desarrollado desde un solo material hasta un nuevo sistema de protección térmica que combina materiales y estructuras.Al mismo tiempo, también se desarrolla desde el diseño tradicional de protección térmica, aislamiento térmico y soporte de carga por separado hasta la dirección de la luz de protección térmica, aislamiento térmico e integración de soporte de carga.
Los compuestos de matriz cerámica reforzados con fibra tienen muchas propiedades excelentes, como resistencia a altas temperaturas, resistencia a la ablación, alta resistencia, bajo dieléctrico, baja pérdida y alta confiabilidad.Deberían ser el material clave del radomo, que es uno de los cuellos de botella y tecnologías difíciles en el desarrollo de nuevos misiles y aviones de combate.En la actualidad, existen principalmente compuestos como cuarzo, cerámica de cuarzo reforzada con fibra, cerámica de nitruro de silicio reforzada con fibra de cuarzo, cerámica de nitruro de silicio reforzada con fibra de nitruro, etc.Todos tienen excelentes propiedades integrales, como resistencia a altas temperaturas, transmisión de ondas, cojinetes y liberación de calor, etc.Durante el período de 2016 a 2020, Shandong Industrial Ceramics Research and Design Institute Co., Ltd. llevó a cabo una investigación sistemática sobre el tejido de fibra de nitruro continuo y el sistema compuesto de nitruro de silicio reforzado con fibra cortada de nitruro.El material compuesto desarrollado por la empresa tiene excelente resistencia a la ablación, excelentes propiedades dieléctricas y buenas propiedades mecánicas.En condiciones de alto flujo de calor y entalpía, puede soportar una temperatura alta de 2700 ℃ y una prueba de ablación a largo plazo.Debería ser una nueva generación de material compuesto de transmisión de ondas cerámicas que pueda cumplir con los requisitos de alta velocidad, larga resistencia, baja ablación y transmisión de ondas altas en el futuro.
Se ha desarrollado rápidamente en el campo civil.
Aplicación en el sistema de frenos
Los compuestos C/C-SiC se han utilizado en sistemas de frenos, ya que el material tiene baja densidad, buena resistencia al desgaste, coeficiente de fricción constante y estable, resistencia al choque térmico, resistencia a la oxidación y otras ventajas.Este tipo de disco de freno es ligero en peso, alta resistencia a la temperatura y 2,5 veces mayor en capacidad calorífica específica que el acero.Comparado con el sistema de frenos de metal, este disco de freno puede ahorrar un 40% del peso estructural.La vida útil del disco de freno de carbono es de 5 a 7 veces mayor que la de la base metálica.Especialmente, su par de frenado es estable y el ruido es pequeño al frenar.El disco de freno de carbono compuesto C/C-SiC se ha aplicado en situaciones prácticas.
Aplicación en biología
El material compuesto C/C es un nuevo material biomédico potencial, que tiene una buena perspectiva de aplicación en la reparación y reemplazo óseo humano.En la actualidad, el material compuesto C/C se ha utilizado en la pelvis, la férula ósea y la aguja ósea en el campo clínico.También se ha informado que este material se utiliza como material de reparación para el oído medio de válvulas cardíacas artificiales.También ha logrado un buen efecto de aplicación clínica en raíces artificiales.
Aplicación en elemento calefactor
El generador de calor de grafito es de baja resistencia, frágil y difícil de procesar y transportar.El material compuesto C/C tiene las ventajas de alta resistencia, buena tenacidad, resistencia a altas temperaturas, etc.Este material puede reducir el volumen del cuerpo de calentamiento, expandir el área de trabajo, etc.
Aplicación en el campo de la protección del medio ambiente.
Shandong industrial ceramics research and Design Institute Co., Ltd., ha desarrollado con éxito un nuevo tipo de tubo de membrana funcional compuesto de fibra cerámica en los últimos años.Este material compuesto es un material de purificación de gas a alta temperatura que integra funciones de purificación de partículas de alta eficiencia y desnitrificación catalítica, que pueden eliminar de manera efectiva partículas de hollín y óxidos de nitrógeno a alta temperatura (por encima de 250 ℃).este tipo de material tiene las ventajas de una alta eficiencia de filtración, resistencia a altas temperaturas, buena actividad catalítica a altas temperaturas, alta eficiencia de conversión de NOx, larga vida útil, etc.Su precisión de filtrado puede interceptar partículas de 0,1 μm y su emisión más baja es de 1 mg/m³.Su resistencia a la temperatura es tan alta como 650 ℃.Especialmente, su tasa de eliminación de óxido de nitrógeno puede alcanzar más del 97%.La membrana funcional compuesta de fibra cerámica se ha utilizado ampliamente en la purificación de gases a alta temperatura en materiales de construcción, incineración, coquización, generación de energía de biomasa y otros campos.
Hasta ahora, todavía hay muchas dificultades técnicas que superar.
La investigación de compuestos de matriz cerámica en China comenzó relativamente tarde.Sin embargo, los avances sustanciales se han hecho en los últimos años.En cuanto a las fibras cerámicas de alto rendimiento, las fibras principales, como el carburo de silicio, el óxido de aluminio, el nitruro de silicio, el nitruro y otras, han logrado avances en la tecnología de la ingeniería y la industrialización.La tecnología de preparación, la tecnología de procesamiento, la tecnología de conexión, la tecnología de evaluación de confiabilidad y la tecnología de aplicación de compuestos de matriz cerámica se han mejorado considerablemente.Se han diseñado, desarrollado y evaluado muchos componentes de motores aeronáuticos.Sin embargo, todavía hay una gran brecha en la comparación con los países avanzados como Europa, América, Japón, etc.En términos de verificación y aplicación de evaluación de componentes, China aún está en pañales.El ámbito de aplicación y el tiempo de evaluación acumulativo son muy limitados.También hay una gran brecha en comparación con la investigación de aplicaciones de ingeniería extranjera.
Para realizar la aplicación de compuestos de matriz cerámica en componentes de alta temperatura de motores aeronáuticos, existen las siguientes dificultades técnicas que deben resolverse principalmente:
1) desarrollar fibras cerámicas de alto rendimiento representadas por fibras de carburo de ultra alta temperatura y bajo costo y su tecnología compuesta;
2) para romper carburo de silicio, óxido de aluminio, nitruro de silicio, nitruro de boro, nitrógeno de boro de silicio y otras fibras y la tecnología de preparación estable de ingeniería de su precursor;
3) desarrollar tecnología de fabricación rápida y de bajo costo de compuestos de matriz cerámica;
4) romper las tecnologías clave en toda la cadena industrial de los compuestos de matriz cerámica y lograr una coordinación eficaz de las tecnologías relacionadas;
5) fortalecer la investigación sobre la estructura intrínseca y el mecanismo de falla de los compuestos de matriz cerámica y establecer un modelo de predicción de vida;
6) fortalecer la investigación en el lado de la aplicación y establecer el sistema y los estándares de evaluación;
En el mercado actual, los compuestos de matriz cerámica con una alta demanda de aplicación en el mercado incluyen principalmente matriz cerámica de carburo de silicio reforzado con fibra de carburo de silicio (SiCf/SiC) y compuestos de matriz cerámica de carburo de silicio reforzado con fibra de carbono (CF/SiC).Entre ellos, el primero se considera uno de los materiales más prometedores para el futuro motor aeronáutico, que también es el material clave para mejorar el rendimiento del motor aeronáutico.En el futuro, el potencial de desarrollo del mercado doméstico de materiales compuestos cerámicos es enorme.
Compuesto de matriz cerámica (CMC)
Definición
Los composites se pueden dividir en tres categorías según los diferentes sustratos:
Compuesto de matriz polimérica (PMC)
Compuesto de matriz metálica (MMC)
Compuesto de matriz cerámica (CMC)
Entre ellos, la aplicación de PMC juega un papel destacado en la industria aeroespacial.Los materiales compuestos mencionados se asociarán con términos como plásticos termoendurecibles, CFRP (compuesto basado en polímero reforzado con fibra de carbono), etc.
