Komposit seramik
Butiran
Dengan perkembangan teknologi penyediaan gentian dan teknologi lain yang berkaitan, kaedah yang berkesan untuk menyediakan bahan tersebut telah dibangunkan secara beransur-ansur.Ia telah menjadikan teknologi penyediaan Komposit Matriks Seramik Bertetulang Gentian Bertetulang semakin matang.Pada masa ini, Komposit Matriks Seramik Bertetulang Gentian Berterusan telah digunakan secara meluas dalam aeroangkasa, pertahanan negara dan bidang lain.
Komposit Matriks Seramik Bertetulang Gentian Bertetulang telah digunakan secara meluas dalam bidang aeroangkasa.
Komposit matriks gentian karbida silikon (SiCf) / silikon karbida seramik (SiC) telah menjadi generasi baharu bahan tahan suhu tinggi untuk Aeroengines.Komponen suhu tinggi enjin aero terutamanya termasuk kebuk pembakaran, turbin tekanan tinggi atau rendah dan muncung dan sebagainya.Antaranya, komponen turbin tekanan tinggi atau rendah terutamanya termasuk bilah pemandu, bilah pemutar dan gelang luar turbin.Pada masa lalu, komponen ini kebanyakannya diperbuat daripada aloi super.Had rintangan suhunya dikekalkan pada kira-kira 1100 ℃.Walau bagaimanapun, penggunaan komposit matriks seramik SiCf / SiC meningkatkan rintangan suhu komponen enjin kepada 1200 ~ 1350 ℃.Kualiti komponen komposit matriks seramik biasanya 1/4 hingga 1/3 kali ganda daripada superaloi.Ini bukan sahaja mencapai penjimatan bahan api, tetapi juga meningkatkan penjimatan bahan api.
Teknik penyediaan utama komposit SiCf/SiC termasuk penyusupan wap kimia (CVI), keretakan rendaman polimer (PIP) dan silikonisasi cair (MI).Pada 2015, syarikat GE di AS menggunakan teknik penyusupan prepreg untuk menyediakan komposit SiCf / SiC.Gentian SiC boleh ditukar kepada produk siap dalam sebarang bentuk dalam masa kurang daripada 30 hari.Syarikat GE berjaya mengesahkan komponen turbin tekanan rendah berputar pertama di dunia pada mesin pengesahan enjin turbofan f414.Ini menunjukkan bahawa komposit matriks seramik bertetulang gentian berterusan mempunyai prospek aplikasi yang luas dalam aeroengine dan turbin gas.Pada Mei 2021, enjin kitaran berubah-ubah suai pertama xa100 Syarikat GE telah diuji.Bahan komposit matriks seramik digunakan secara meluas dalam enjin ini, yang akan memberikan kuasa untuk pejuang generasi keenam AS.Pada 1980-an, Kumpulan Safran di Perancis mula menggunakan Proses CVI untuk menyediakan bilah pemutar, pengadun dan kon tengah yang diperbuat daripada bahan komposit SiCf/SiC.Mereka telah diuji pada enjin CFM56 dalam ujian tanah.Selain itu, komponen muncung juga telah disahkan penerbangan pada A320, A380 dan pesawat lain.Lulus pensijilan kelayakan udara menandakan kemunculan era penggunaan bahan komposit SiCf/SiC untuk komponen aeroenjin bersuhu tinggi.
Komposit matriks seramik ialah bahan perlindungan haba utama untuk penerbangan selamat kenderaan hipersonik.Kelajuan penerbangan kenderaan hipersonik lebih besar daripada atau sama dengan 5 kali kelajuan bunyi.Dalam penerbangan berkelajuan tinggi sedemikian, adalah perlu untuk memastikan bahawa komponen struktur utama kenderaan tidak akan rosak akibat geseran udara yang kuat dan impak aliran udara panas sehingga 2000 ~ 3000 ℃.
Komposit Matriks Seramik Bertetulang Gentian mempunyai banyak kelebihan, seperti prestasi suhu tinggi yang sangat baik, keliatan yang tinggi, kekuatan spesifik yang tinggi, modulus spesifik yang tinggi dan kestabilan terma yang baik, yang boleh mengatasi sensitiviti kepada retak dan kejutan haba dengan berkesan.Ia juga mempunyai aplikasi penting dan pasaran yang luas dalam bidang perlindungan haba boleh guna semula.Pada masa ini, bahan penebat haba komposit matriks seramik telah dibangunkan daripada bahan tunggal kepada sistem perlindungan haba baharu yang menggabungkan bahan dan struktur.Pada masa yang sama, ia juga berkembang daripada reka bentuk tradisional perlindungan haba, penebat haba dan galas beban secara berasingan kepada arah cahaya perlindungan haba, penebat haba dan integrasi galas beban.
Komposit Matriks Seramik Bertetulang Gentian mempunyai banyak sifat cemerlang seperti rintangan suhu tinggi, rintangan ablasi, kekuatan tinggi, dielektrik rendah, kehilangan rendah dan kebolehpercayaan yang tinggi.Ia sepatutnya menjadi bahan utama radome, yang merupakan salah satu kesesakan dan teknologi sukar dalam pembangunan peluru berpandu dan pesawat tempur baharu.Pada masa ini, terdapat terutamanya komposit seperti kuarza, seramik kuarza bertetulang gentian, seramik silikon nitrida bertetulang gentian kuarza, seramik silikon nitrida bertetulang gentian nitrida dan sebagainya.Kesemuanya mempunyai sifat komprehensif yang sangat baik seperti rintangan suhu tinggi, penghantaran gelombang, galas & pelepasan haba dan sebagainya.Dalam tempoh dari 2016 hingga 2020, penyelidikan seramik industri Shandong dan Institut Reka Bentuk Co., Ltd., telah menjalankan penyelidikan sistematik mengenai fabrik gentian nitrida berterusan dan sistem komposit silikon nitrida bertetulang gentian cincang nitrida.Bahan komposit yang dibangunkan oleh syarikat mempunyai rintangan ablasi yang sangat baik, sifat dielektrik yang sangat baik dan sifat mekanikal yang baik.Di bawah keadaan fluks haba yang tinggi dan entalpi, ia boleh menahan suhu tinggi 2700 ℃ dan ujian ablasi jangka panjang.Ia sepatutnya menjadi generasi baharu bahan komposit pemancar gelombang seramik yang boleh memenuhi keperluan kelajuan tinggi, ketahanan lama, ablasi rendah dan penghantaran gelombang tinggi pada masa hadapan.
Ia telah berkembang pesat dalam bidang sivil.
Aplikasi dalam sistem brek
Komposit C/C-SiC telah digunakan dalam sistem brek, kerana bahan tersebut mempunyai ketumpatan rendah, rintangan haus yang baik, pekali geseran malar dan stabil, rintangan kejutan haba, rintangan pengoksidaan dan kelebihan lain.Cakera brek jenis ini ringan, rintangan suhu tinggi dan kapasiti haba tentu 2.5 kali lebih tinggi daripada keluli.Berbanding dengan sistem brek logam, cakera brek ini boleh menjimatkan 40% daripada berat struktur.Hayat perkhidmatan cakera brek karbon adalah 5-7 kali ganda daripada asas logam.Lebih-lebih lagi, tork breknya stabil dan bunyi bising kecil apabila membrek.Cakera brek karbon komposit C/C-SiC telah digunakan dalam situasi praktikal.
Aplikasi dalam biologi
Bahan komposit C/C ialah bahan bioperubatan berpotensi baharu, yang mempunyai prospek penggunaan yang baik dalam pembaikan tulang manusia dan penggantian tulang.Pada masa ini, bahan komposit C/C telah digunakan dalam pelvis, splint tulang dan jarum tulang dalam bidang klinik.Ia juga telah dilaporkan bahawa bahan ini digunakan sebagai bahan pembaikan untuk telinga tengah injap jantung buatan.Ia juga telah mencapai kesan aplikasi klinikal yang baik dalam akar tiruan.
Permohonan dalam elemen pemanasan
Penjana haba grafit mempunyai kekuatan yang rendah, rapuh dan sukar untuk diproses dan diangkut.Bahan komposit C/C mempunyai kelebihan kekuatan tinggi, keliatan yang baik, rintangan suhu tinggi, dan sebagainya.Bahan ini boleh mengurangkan jumlah badan pemanasan, mengembangkan kawasan kerja dan sebagainya.
Aplikasi dalam bidang perlindungan alam sekitar
Penyelidikan seramik industri Shandong dan Institut Reka Bentuk Co., Ltd., telah berjaya membangunkan jenis tiub membran berfungsi komposit gentian seramik baharu dalam beberapa tahun kebelakangan ini.Bahan komposit ini ialah bahan penulenan gas bersuhu tinggi yang mengintegrasikan penulenan zarah berkecekapan tinggi dan fungsi denitrasi pemangkin, yang boleh mengeluarkan zarah jelaga dan nitrogen oksida dengan berkesan pada suhu tinggi (melebihi 250 ℃).jenis bahan tersebut mempunyai kelebihan kecekapan penapisan yang tinggi, rintangan suhu tinggi, aktiviti pemangkin suhu tinggi yang baik, kecekapan penukaran NOx yang tinggi, hayat perkhidmatan yang panjang dan sebagainya.Ketepatan penapisannya boleh memintas zarah 0.1μm dan pelepasan terendahnya ialah 1mg/m³.Rintangan suhunya setinggi 650 ℃.Terutamanya, kadar penyingkiran nitrogen oksidanya boleh mencapai lebih daripada 97%.Membran berfungsi komposit gentian seramik telah digunakan secara meluas dalam penulenan gas suhu tinggi dalam bahan binaan, insinerasi, coking, penjanaan kuasa biojisim dan bidang lain.
Sehingga kini, masih banyak masalah teknikal yang perlu diatasi.
Penyelidikan komposit matriks seramik di China bermula agak lewat.Walau bagaimanapun, kejayaan besar telah dibuat dalam beberapa tahun kebelakangan ini.Dari segi gentian seramik berprestasi tinggi, gentian utama seperti silikon karbida, aluminium oksida, silikon nitrida, nitrida dan lain-lain telah mencapai kejayaan dalam teknologi kejuruteraan dan perindustrian.Teknologi penyediaan, teknologi pemprosesan, teknologi sambungan, teknologi penilaian kebolehpercayaan dan teknologi aplikasi komposit matriks seramik telah banyak dipertingkatkan.Banyak komponen aeroengine telah direka, dibangunkan dan dinilai.Namun begitu, masih terdapat jurang yang besar dalam perbandingan dengan negara maju seperti Eropah, Amerika, Jepun dan sebagainya.Dari segi pengesahan dan aplikasi penilaian komponen, China masih di peringkat awal.Skop permohonan dan masa penilaian kumulatif adalah sangat terhad.Terdapat juga jurang yang besar berbanding dengan penyelidikan aplikasi kejuruteraan asing.
Untuk merealisasikan penggunaan komposit matriks seramik dalam komponen aeroengine bersuhu tinggi, terdapat masalah teknikal berikut yang perlu diselesaikan terutamanya:
1) untuk membangunkan gentian seramik berprestasi tinggi yang diwakili oleh gentian karbida suhu ultra tinggi dan kos rendah serta teknologi kompositnya;
2) untuk menembusi silikon karbida, aluminium oksida, silikon nitrida, boron nitrida, silikon boron nitrogen dan gentian lain dan teknologi penyediaan stabil kejuruteraan pendahulunya;
3) untuk membangunkan teknologi pembuatan komposit matriks seramik yang pesat dan kos rendah;
4) untuk menembusi teknologi utama dalam keseluruhan rantaian industri komposit matriks seramik, dan mencapai penyelarasan berkesan teknologi berkaitan;
5) untuk mengukuhkan penyelidikan mengenai struktur intrinsik dan mekanisme kegagalan komposit matriks seramik, dan mewujudkan model ramalan hayat;
6) untuk mengukuhkan penyelidikan dari segi aplikasi dan mewujudkan sistem dan piawaian penilaian;
Dalam pasaran semasa, komposit matriks seramik dengan permintaan aplikasi tinggi dalam pasaran terutamanya termasuk matriks seramik silikon karbida bertetulang gentian karbida (SiCf/SiC) dan komposit matriks seramik silikon karbida bertetulang gentian karbon (CF/SiC).Antaranya, yang pertama dianggap sebagai salah satu bahan yang paling menjanjikan untuk enjin aero masa depan, yang juga merupakan bahan utama untuk meningkatkan prestasi enjin aero.Pada masa hadapan, potensi pembangunan pasaran bahan komposit seramik domestik adalah besar.
Komposit Matriks Seramik (CMC)
Definisi
Komposit boleh dibahagikan kepada tiga kategori mengikut substrat yang berbeza:
Komposit Matriks Polimer (PMC)
Komposit Matriks Logam (MMC)
Komposit Matriks Seramik (CMC)
Antaranya, aplikasi PMC memainkan peranan utama dalam aeroangkasa.Bahan komposit yang disebutkan akan dikaitkan dengan istilah seperti plastik termoset, CFRP (composite berasaskan polimer bertetulang gentian karbon) dan sebagainya.
