کامپوزیت های سرامیکی
جزئیات
با توسعه فناوری تهیه الیاف و سایر فناوری های مرتبط، روش های موثر برای تهیه چنین موادی به تدریج توسعه یافته است.این تکنولوژی آماده سازی کامپوزیت ماتریکس سرامیکی تقویت شده با الیاف پیوسته را بیش از پیش بالغ کرده است.در حال حاضر، کامپوزیت های ماتریکس سرامیکی تقویت شده با الیاف پیوسته به طور گسترده در هوافضا، دفاع ملی و سایر زمینه ها استفاده می شود.
کامپوزیت های ماتریکس سرامیکی تقویت شده با الیاف پیوسته به طور گسترده در زمینه هوافضا استفاده شده است.
کامپوزیت‌های ماتریس فیبر کاربید سیلیکون (SiCf) / کاربید سیلیکون سرامیک (SiC) به نسل جدیدی از مواد مقاوم در برابر دمای بالا برای موتورهای هوایی تبدیل شده‌اند.اجزای دمای بالا موتور هوا عمدتاً شامل محفظه احتراق، توربین فشار بالا یا پایین و نازل و غیره است.در میان آنها، اجزای توربین فشار بالا یا پایین عمدتاً شامل پره های راهنما، تیغه های روتور و حلقه های بیرونی توربین هستند.در گذشته این قطعات عمدتاً از سوپرآلیاژها ساخته می شدند.حد مقاومت دمایی آن در حدود 1100 ℃ حفظ می شود.با این حال، استفاده از کامپوزیت های زمینه سرامیکی SiCf / SiC مقاومت دمایی اجزای موتور را تا 1200 ~ 1350 ℃ بهبود می بخشد.کیفیت اجزای کامپوزیت های زمینه سرامیکی معمولاً 1/4 تا 1/3 برابر سوپرآلیاژها است.این نه تنها باعث صرفه جویی در مصرف سوخت می شود، بلکه باعث بهبود مصرف سوخت نیز می شود.
تکنیک اصلی آماده سازی کامپوزیت های SiCf/SiC شامل نفوذ شیمیایی بخار (CVI)، ترک غوطه وری پلیمری (PIP) و سیلیکون سازی مذاب (MI) است.در سال 2015، شرکت جنرال الکتریک در ایالات متحده، روش نفوذ prepreg را برای تهیه کامپوزیت های SiCf / SiC اتخاذ کرد.الیاف SiC را می توان در کمتر از 30 روز به محصولات نهایی با هر شکلی تبدیل کرد.شرکت جنرال الکتریک با موفقیت اولین قطعه توربین کم فشار چرخشی جهان را بر روی دستگاه تأیید موتور توربوفن f414 تأیید کرد.این نشان می دهد که کامپوزیت های ماتریس سرامیکی تقویت شده با الیاف پیوسته چشم انداز کاربرد گسترده ای در موتورهای هوا و توربین های گازی دارند.در می 2021، اولین موتور چرخه متغیر تطبیقی xa100 شرکت جنرال الکتریک مورد آزمایش قرار گرفت.مواد کامپوزیت ماتریس سرامیکی به طور گسترده در این موتور استفاده می شود که نیروی مورد نیاز جنگنده نسل ششم آمریکا را تامین می کند.در دهه 1980، گروه Safran در فرانسه شروع به استفاده از فرآیند CVI برای تهیه تیغه های روتور، میکسرها و مخروط های مرکزی ساخته شده از مواد کامپوزیت SiCf/SiC کرد.آنها بر روی موتور CFM56 در تست زمین آزمایش شده اند.علاوه بر این، اجزای نازل نیز در هواپیماهای A320، A380 و سایر هواپیماها تأیید شده است.گذراندن گواهینامه صلاحیت پرواز نشان‌دهنده ظهور عصر استفاده از مواد کامپوزیت SiCf/SiC برای قطعات با دمای بالا در موتورهای هوایی است.
کامپوزیت های ماتریس سرامیکی مواد کلیدی حفاظت حرارتی برای پرواز ایمن وسایل نقلیه مافوق صوت هستند.سرعت پرواز یک وسیله نقلیه مافوق صوت بیشتر یا مساوی 5 برابر سرعت صوت است.در چنین پروازی با سرعت بالا، لازم است اطمینان حاصل شود که اجزای ساختاری کلیدی وسیله نقلیه به دلیل اصطکاک شدید هوا و ضربه جریان هوای گرم تا دمای 2000 ~ 3000 ℃ آسیب نبینند.
کامپوزیت های ماتریکس سرامیکی تقویت شده با الیاف دارای مزایای زیادی هستند، مانند عملکرد عالی در دمای بالا، چقرمگی بالا، استحکام ویژه بالا، مدول ویژه بالا و پایداری حرارتی خوب، که می تواند به طور موثر بر حساسیت به ترک ها و شوک حرارتی غلبه کند.همچنین کاربردهای مهم و بازار گسترده ای در زمینه حفاظت حرارتی قابل استفاده مجدد دارد.در حال حاضر، مواد عایق حرارتی کامپوزیت ماتریس سرامیکی از یک ماده واحد به یک سیستم حفاظت حرارتی جدید ترکیبی از مواد و ساختارها توسعه یافته اند.در عین حال، از طراحی سنتی حفاظت حرارتی، عایق حرارتی و تحمل بار به طور جداگانه به جهت نور حفاظت از گرما، عایق حرارتی و ادغام باربر توسعه می یابد.
کامپوزیت های ماتریکس سرامیکی تقویت شده با الیاف دارای خواص بسیار عالی مانند مقاومت در برابر دمای بالا، مقاومت در برابر فرسایش، استحکام بالا، دی الکتریک کم، تلفات کم و قابلیت اطمینان بالا هستند.آنها باید ماده کلیدی رادوم باشند که یکی از گلوگاه ها و فناوری های دشوار در توسعه موشک های جدید و هواپیماهای جنگی است.در حال حاضر، به طور عمده کامپوزیت هایی مانند کوارتز، سرامیک کوارتز تقویت شده با الیاف، سرامیک نیترید سیلیکون تقویت شده با الیاف کوارتز، سرامیک نیترید سیلیکون تقویت شده با الیاف نیترید و غیره وجود دارد.همه آنها دارای خواص جامع عالی مانند مقاومت در برابر دمای بالا، انتقال موج، تحمل و انتشار گرما و غیره هستند.در طول دوره 2016 تا 2020، موسسه تحقیقاتی و طراحی سرامیک صنعتی شاندونگ، تحقیقات سیستماتیک روی پارچه الیاف نیترید پیوسته و سیستم کامپوزیت نیترید سیلیکون تقویت شده با الیاف نیترید انجام داده است.مواد کامپوزیت توسعه یافته توسط این شرکت دارای مقاومت فرسایشی عالی، خواص دی الکتریک عالی و خواص مکانیکی خوب است.تحت شرایط شار حرارتی بالا و آنتالپی، می تواند دمای بالای 2700 ℃ و آزمون فرسایش طولانی مدت را تحمل کند.این باید نسل جدیدی از مواد کامپوزیتی انتقال دهنده امواج سرامیکی باشد که بتواند الزامات سرعت بالا، استقامت طولانی، فرسایش کم و انتقال موج بالا را در آینده برآورده کند.
در زمینه عمران به سرعت توسعه یافته است.
کاربرد در سیستم ترمز
کامپوزیت های C/C-SiC در سیستم های ترمز مورد استفاده قرار گرفته اند، زیرا این ماده دارای چگالی کم، مقاومت در برابر سایش خوب، ضریب اصطکاک ثابت و پایدار، مقاومت در برابر شوک حرارتی، مقاومت در برابر اکسیداسیون و مزایای دیگر است.این نوع دیسک ترمز دارای وزن سبک، مقاومت در برابر حرارت بالا و 2.5 برابر ظرفیت حرارتی ویژه نسبت به فولاد است.در مقایسه با سیستم ترمز فلزی، این دیسک ترمز می تواند 40 درصد از وزن ساختاری را ذخیره کند.عمر مفید دیسک ترمز کربنی 5-7 برابر پایه فلزی است.مخصوصاً گشتاور ترمز آن پایدار است و هنگام ترمزگیری صدای آن کم است.دیسک ترمز کربن کامپوزیت C/C-SiC در شرایط عملی استفاده شده است.
کاربرد در زیست شناسی
مواد کامپوزیت C/C یک ماده بالقوه زیست پزشکی جدید است که چشم انداز کاربردی خوبی در ترمیم استخوان انسان و جایگزینی استخوان دارد.در حال حاضر از مواد کامپوزیت C/C در لگن، اسپلینت استخوانی و سوزن استخوانی در زمینه کلینیک استفاده می شود.همچنین گزارش شده است که از این ماده به عنوان ماده ترمیم کننده گوش میانی دریچه های مصنوعی قلب استفاده می شود.همچنین اثر کاربردی بالینی خوبی در ریشه مصنوعی به دست آورده است.
کاربرد در المنت حرارتی
مولد گرما گرافیت از نظر استحکام کم، شکننده است و پردازش و حمل و نقل آن دشوار است.مواد کامپوزیت C/C دارای مزایای استحکام بالا، چقرمگی خوب، مقاومت در برابر دمای بالا و غیره هستند.این ماده می تواند حجم بدنه گرمایش را کاهش دهد، منطقه کار را گسترش دهد و غیره.
کاربرد در زمینه حفاظت از محیط زیست
موسسه تحقیقاتی و طراحی سرامیک صنعتی شاندونگ، با موفقیت نوع جدیدی از لوله غشایی کامپوزیت کامپوزیت سرامیکی را در سال‌های اخیر توسعه داده است.این ماده کامپوزیتی یک ماده تصفیه گاز با دمای بالا است که عملکردهای تصفیه ذرات با راندمان بالا و نیتراسیون کاتالیزوری را ادغام می کند که می تواند به طور موثر ذرات دوده و اکسیدهای نیتروژن را در دمای بالا (بالای 250 ℃) حذف کند.چنین موادی دارای مزایای راندمان فیلتراسیون بالا، مقاومت در برابر دمای بالا، فعالیت کاتالیزوری خوب در دمای بالا، راندمان تبدیل NOx بالا، عمر طولانی و غیره است.دقت فیلتر آن می تواند ذرات 0.1μm را رهگیری کند و کمترین انتشار آن 1mg/m³ است.مقاومت دمایی آن تا 650 ℃ است.به خصوص، میزان حذف اکسید نیتروژن آن می تواند به بیش از 97٪ برسد.غشای کاربردی کامپوزیت الیاف سرامیکی به طور گسترده در تصفیه گاز با دمای بالا در مصالح ساختمانی، سوزاندن، کک سازی، تولید انرژی زیست توده و سایر زمینه ها استفاده شده است.
تا به حال، هنوز مشکلات فنی زیادی وجود دارد که باید بر آنها غلبه کرد.
تحقیقات کامپوزیت های زمینه سرامیکی در چین نسبتا دیر آغاز شد.با این حال، پیشرفت های قابل توجهی در سال های اخیر حاصل شده است.از نظر الیاف سرامیکی با کارایی بالا، الیاف اصلی مانند کاربید سیلیکون، اکسید آلومینیوم، نیترید سیلیکون، نیترید و غیره به پیشرفت‌هایی در فناوری مهندسی و صنعتی شدن دست یافته‌اند.فناوری آماده‌سازی، فناوری پردازش، فناوری اتصال، فناوری ارزیابی قابلیت اطمینان و فناوری کاربرد کامپوزیت‌های زمینه سرامیکی تا حد زیادی بهبود یافته است.بسیاری از اجزای موتورهای هوایی طراحی، توسعه و ارزیابی شده اند.با این حال، هنوز فاصله زیادی در مقایسه با کشورهای پیشرفته مانند اروپا، آمریکا، ژاپن و غیره وجود دارد.از نظر تأیید و کاربرد ارزیابی مؤلفه، چین هنوز در مراحل ابتدایی خود است.دامنه کاربرد و زمان ارزیابی تجمعی بسیار محدود است.همچنین یک شکاف بزرگ در مقایسه با تحقیقات کاربردی مهندسی خارجی وجود دارد.
به منظور تحقق کاربرد کامپوزیت های ماتریس سرامیکی در اجزای با دمای بالا موتورهای هوایی، مشکلات فنی زیر عمدتاً باید حل شوند:
1) توسعه الیاف سرامیکی با کارایی بالا که با درجه حرارت فوق العاده بالا و الیاف کاربید کم هزینه و فناوری کامپوزیت آنها نشان داده شده است.
2) برای شکستن کاربید سیلیکون، اکسید آلومینیوم، نیترید سیلیکون، نیترید بور، نیتروژن بور سیلیکون و سایر الیاف و فناوری آماده سازی پایدار مهندسی پیش ساز آن؛
3) توسعه فناوری ساخت سریع و کم هزینه کامپوزیت های زمینه سرامیکی؛
4) شکستن فناوری های کلیدی در کل زنجیره صنعتی کامپوزیت های زمینه سرامیکی و دستیابی به هماهنگی مؤثر فناوری های مرتبط.
5) تقویت تحقیقات در مورد ساختار ذاتی و مکانیسم شکست کامپوزیت های ماتریس سرامیکی و ایجاد مدل پیش بینی زندگی.
6) تقویت تحقیق در سمت کاربرد و ایجاد سیستم ارزیابی و استانداردها.
در بازار کنونی، کامپوزیت‌های زمینه سرامیکی با تقاضای کاربرد بالا در بازار، عمدتاً شامل ماتریس سرامیکی کاربید سیلیکون تقویت‌شده با فیبر سیلیکون کاربید (SiCf/SiC) و کامپوزیت‌های ماتریس سرامیکی کاربید سیلیکون تقویت‌شده با فیبر کربن (CF/SiC) است.در میان آنها، مواد اولی به عنوان یکی از امیدوارکننده ترین مواد برای موتورهای هوایی آینده در نظر گرفته می شود، که همچنین ماده کلیدی برای بهبود عملکرد موتور هوایی است.در آینده، پتانسیل توسعه بازار مواد کامپوزیت سرامیکی داخلی بسیار زیاد است.
کامپوزیت ماتریس سرامیکی (CMC)
تعریف
کامپوزیت ها را می توان با توجه به زیرلایه های مختلف به سه دسته تقسیم کرد:
کامپوزیت ماتریس پلیمری (PMC)
کامپوزیت ماتریس فلزی (MMC)
کامپوزیت ماتریس سرامیکی (CMC)
در میان آنها، کاربرد PMC نقش پیشرو در هوافضا دارد.مواد کامپوزیتی ذکر شده با اصطلاحاتی مانند پلاستیک های ترموست، CFRP (کامپوزیت مبتنی بر پلیمر تقویت شده با فیبر کربن) و غیره همراه خواهند بود.
