Composites céramiques
Détails
Avec le développement de la technologie de préparation des fibres et d'autres technologies connexes, les méthodes efficaces pour préparer ces matériaux ont été progressivement développées.Il a rendu la technologie de préparation du composite à matrice céramique renforcée de fibres continues de plus en plus mature.À l'heure actuelle, les composites à matrice céramique renforcée de fibres continues sont largement utilisés dans l'aérospatiale, la défense nationale et d'autres domaines.
Les composites à matrice céramique renforcée de fibres continues ont été largement utilisés dans le domaine de l'aérospatiale.
Les composites à matrice de fibre de carbure de silicium (SiCf) / céramique de carbure de silicium (SiC) sont devenus une nouvelle génération de matériaux résistants aux hautes températures pour les moteurs aéronautiques.Les composants à haute température du moteur d'avion comprennent principalement la chambre de combustion, la turbine et la tuyère haute ou basse pression, etc.Parmi eux, les composants de turbine haute ou basse pression comprennent principalement des aubes directrices, des aubes de rotor et des anneaux extérieurs de turbine.Dans le passé, ces composants étaient principalement constitués de superalliages.Sa limite de résistance à la température est maintenue à environ 1100 ℃.Cependant, l'application de composites à matrice céramique SiCf / SiC améliore la résistance à la température des composants du moteur à 1200 ~ 1350 ℃.La qualité des composants des composites à matrice céramique est généralement 1/4 à 1/3 fois supérieure à celle des superalliages.Cela permet non seulement d'économiser du carburant, mais améliore également l'économie de carburant.
La principale technique de préparation des composites SiCf/SiC comprend l'infiltration chimique en phase vapeur (CVI), le craquage par immersion de polymère (PIP) et la siliconisation par fusion (MI).En 2015, la société GE aux États-Unis a adopté la technique d'infiltration préimprégnée pour préparer les composites SiCf / SiC.Les fibres de SiC peuvent être transformées en produits finis de toute forme en moins de 30 jours.La société GE a vérifié avec succès le premier composant de turbine basse pression rotatif au monde sur la machine de vérification du moteur à double flux f414.Cela indique que les composites à matrice céramique renforcée de fibres continues ont une large perspective d'application dans les moteurs aéronautiques et les turbines à gaz.En mai 2021, le premier moteur adaptatif à cycle variable xa100 de la société GE a été testé.Les matériaux composites à matrice céramique sont largement utilisés dans ce moteur, qui alimentera le chasseur américain de sixième génération.Dans les années 1980, le groupe Safran en France a commencé à utiliser le procédé CVI pour préparer des pales de rotor, des mélangeurs et des cônes centraux en matériaux composites SiCf/SiC.Ils ont été testés sur moteur CFM56 lors d'essais au sol.De plus, les composants de la tuyère ont également été vérifiés en vol sur les A320, A380 et d'autres avions.L'obtention de la certification de navigabilité marque l'avènement de l'ère de l'utilisation des matériaux composites SiCf/SiC pour les composants haute température des moteurs aéronautiques.
Les composites à matrice céramique sont les principaux matériaux de protection thermique pour le vol en toute sécurité des véhicules hypersoniques.La vitesse de vol d'un véhicule hypersonique est supérieure ou égale à 5 fois la vitesse du son.Dans un tel vol à grande vitesse, il est nécessaire de s'assurer que les composants structurels clés du véhicule ne seront pas endommagés en raison du frottement intense de l'air et de l'impact du flux d'air chaud jusqu'à 2000 ~ 3000 ℃.
Les composites à matrice céramique renforcée de fibres présentent de nombreux avantages, tels qu'une excellente performance à haute température, une ténacité élevée, une résistance spécifique élevée, un module spécifique élevé et une bonne stabilité thermique, qui peuvent efficacement surmonter la sensibilité aux fissures et aux chocs thermiques.Il a également des applications importantes et un large marché dans le domaine de la protection thermique réutilisable.À l'heure actuelle, les matériaux d'isolation thermique composites à matrice céramique ont été développés à partir d'un matériau unique vers un nouveau système de protection thermique combinant matériaux et structures.Dans le même temps, il se développe également de la conception traditionnelle de la protection thermique, de l'isolation thermique et du support de charge séparément à la direction de la lumière de la protection thermique, de l'isolation thermique et de l'intégration du support de charge.
Les composites à matrice céramique renforcée de fibres ont de nombreuses propriétés excellentes telles que la résistance aux hautes températures, la résistance à l'ablation, la résistance élevée, le faible diélectrique, les faibles pertes et la grande fiabilité.Ils devraient être le matériau clé du radôme, qui est l'un des goulots d'étranglement et des technologies difficiles dans le développement de nouveaux missiles et avions de combat.À l'heure actuelle, il existe principalement des composites tels que le quartz, les céramiques de quartz renforcées de fibres, les céramiques de nitrure de silicium renforcées de fibres de quartz, les céramiques de nitrure de silicium renforcées de fibres de nitrure, etc.Ils ont tous d'excellentes propriétés complètes telles que la résistance aux hautes températures, la transmission des ondes, le roulement et le dégagement de chaleur, etc.Au cours de la période de 2016 à 2020, la recherche sur la céramique industrielle et le Design Institute Co., Ltd. du Shandong ont mené des recherches systématiques sur le tissu continu de fibres de nitrure et le système composite de nitrure de silicium renforcé de fibres hachées de nitrure.Le matériau composite développé par la société présente une excellente résistance à l'ablation, d'excellentes propriétés diélectriques et de bonnes propriétés mécaniques.Dans des conditions de flux de chaleur et d'enthalpie élevés, il peut résister à une température élevée de 2700 ℃ et à un test d'ablation à long terme.Il devrait s'agir d'une nouvelle génération de matériau composite de transmission d'ondes en céramique qui peut répondre aux exigences de haute vitesse, de longue endurance, de faible ablation et de transmission d'ondes élevées à l'avenir.
Il s'est développé rapidement dans le domaine civil.
Application dans le système de freinage
Les composites C/C-SiC ont été utilisés dans les systèmes de freinage, car le matériau a une faible densité, une bonne résistance à l'usure, un coefficient de frottement constant et stable, une résistance aux chocs thermiques, une résistance à l'oxydation et d'autres avantages.Ce type de disque de frein est léger, haute résistance à la température et 2,5 fois plus élevé en capacité thermique spécifique que l'acier.Comparé au système de freinage en métal, ce disque de frein peut économiser 40% du poids structurel.La durée de vie du disque de frein en carbone est 5 à 7 fois supérieure à celle de la base métallique.Surtout, son couple de freinage est stable et le bruit est faible lors du freinage.Le disque de frein en carbone composite C/C-SiC a été appliqué dans des situations pratiques.
Application en biologie
Le matériau composite C/C est un nouveau matériau biomédical potentiel, qui a de bonnes perspectives d'application dans la réparation osseuse humaine et le remplacement osseux.À l'heure actuelle, les matériaux composites C/C ont été utilisés dans le bassin, l'attelle osseuse et l'aiguille osseuse dans le domaine clinique.Il a également été rapporté que ce matériau est utilisé comme matériau de réparation pour l'oreille moyenne des valves cardiaques artificielles.Il a également obtenu un bon effet d'application clinique dans la racine artificielle.
Application en élément chauffant
Le générateur de chaleur en graphite est peu résistant, cassant et difficile à traiter et à transporter.Les matériaux composites C/C présentent les avantages d'une résistance élevée, d'une bonne ténacité, d'une résistance aux hautes températures, etc.Ce matériau peut réduire le volume du corps chauffant, élargir la zone de travail, etc.
Application dans le domaine de la protection de l'environnement
L'Institut de recherche et de conception de la céramique industrielle du Shandong Co., Ltd. a développé avec succès un nouveau type de tube à membrane fonctionnelle composite en fibre céramique ces dernières années.Ce matériau composite est un matériau de purification de gaz à haute température qui intègre des fonctions de purification de particules et de dénitration catalytique à haut rendement, qui peuvent éliminer efficacement les particules de suie et les oxydes d'azote à haute température (au-dessus de 250 ℃).ce type de matériau présente les avantages d'une efficacité de filtration élevée, d'une résistance à haute température, d'une bonne activité catalytique à haute température, d'une efficacité de conversion de NOx élevée, d'une longue durée de vie, etc.Sa précision de filtrage peut intercepter des particules de 0,1 μm et sa plus faible émission est de 1 mg/m³.Sa résistance à la température est aussi élevée que 650 ℃.Surtout, son taux d'élimination des oxydes d'azote peut atteindre plus de 97 %.La membrane fonctionnelle composite en fibres céramiques a été largement utilisée dans la purification de gaz à haute température dans les matériaux de construction, l'incinération, la cokéfaction, la production d'énergie de biomasse et d'autres domaines.
Jusqu'à présent, il reste encore de nombreuses difficultés techniques à surmonter.
La recherche sur les composites à matrice céramique en Chine a commencé relativement tard.Cependant, des percées substantielles ont été faites ces dernières années.En termes de fibres céramiques à haute performance, les principales fibres telles que le carbure de silicium, l'oxyde d'aluminium, le nitrure de silicium, le nitrure et autres ont réalisé des percées dans la technologie d'ingénierie et l'industrialisation.La technologie de préparation, la technologie de traitement, la technologie de connexion, la technologie d'évaluation de la fiabilité et la technologie d'application des composites à matrice céramique ont été considérablement améliorées.De nombreux composants de moteurs aéronautiques ont été conçus, développés et évalués.Cependant, il y a encore un grand écart dans la comparaison avec les pays avancés comme l'Europe, l'Amérique, le Japon, etc.En termes de vérification et d'application de l'évaluation des composants, la Chine en est encore à ses balbutiements.Le champ d'application et le temps d'évaluation cumulé sont très limités.Il y a aussi un énorme écart par rapport à la recherche appliquée à l'ingénierie à l'étranger.
Afin de réaliser l'application des composites à matrice céramique dans les composants à haute température des moteurs aéronautiques, les difficultés techniques suivantes doivent être principalement résolues :
1) développer des fibres céramiques hautes performances représentées par des fibres carbure ultra haute température et bas coût et leur technologie composite ;
2) pour percer le carbure de silicium, l'oxyde d'aluminium, le nitrure de silicium, le nitrure de bore, l'azote de bore de silicium et d'autres fibres et la technologie de préparation stable d'ingénierie de son précurseur;
3) développer une technologie de fabrication rapide et peu coûteuse de composites à matrice céramique ;
4) percer les technologies clés de toute la chaîne industrielle des composites à matrice céramique et parvenir à une coordination efficace des technologies associées ;
5) renforcer la recherche sur la structure intrinsèque et le mécanisme de défaillance des composites à matrice céramique et établir un modèle de prédiction de la durée de vie ;
6) renforcer la recherche du côté des applications et établir le système et les normes d'évaluation ;
Sur le marché actuel, les composites à matrice céramique avec une forte demande d'applications sur le marché comprennent principalement des composites à matrice céramique en carbure de silicium renforcé de fibres de carbure de silicium (SiCf / SiC) et des composites à matrice céramique en carbure de silicium renforcé de fibres de carbone (CF / SiC).Parmi eux, le premier est considéré comme l'un des matériaux les plus prometteurs pour le futur moteur d'avion, qui est aussi le matériau clé pour améliorer les performances du moteur d'avion.À l'avenir, le potentiel de développement du marché national des matériaux composites céramiques est énorme.
Composite à matrice céramique (CMC)
Définition
Les composites peuvent être divisés en trois catégories selon les différents substrats :
Composite à matrice polymère (PMC)
Composite à matrice métallique (MMC)
Composite à matrice céramique (CMC)
Parmi eux, l'application de PMC joue un rôle de premier plan dans l'aérospatiale.Les matériaux composites mentionnés seront associés à des termes tels que plastiques thermodurcissables, CFRP (composite à base de polymère renforcé de fibres de carbone), etc.
