เซรามิกคอมโพสิท
รายละเอียด
ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีการเตรียมเส้นใยและเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องอื่น ๆ วิธีการที่มีประสิทธิภาพในการเตรียมวัสดุดังกล่าวได้รับการพัฒนาอย่างค่อยเป็นค่อยไปทำให้เทคโนโลยีการเตรียมของคอมโพสิตเมทริกซ์เซรามิกเสริมไฟเบอร์ต่อเนื่องเติบโตเต็มที่มากขึ้นในปัจจุบัน คอมโพสิตเมทริกซ์เซรามิกเสริมแรงด้วยไฟเบอร์แบบต่อเนื่องถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการบินและอวกาศ การป้องกันประเทศ และสาขาอื่นๆ
คอมโพสิตเมทริกซ์เซรามิกเสริมแรงด้วยไฟเบอร์แบบต่อเนื่องถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านการบินและอวกาศ
วัสดุผสมเมทริกซ์ซิลิกอนคาร์ไบด์ไฟเบอร์ (SiCf) / ซิลิกอนคาร์ไบด์เซรามิก (SiC) ได้กลายเป็นวัสดุทนอุณหภูมิสูงรุ่นใหม่สำหรับเครื่องยนต์ Aeroenginesส่วนประกอบที่มีอุณหภูมิสูงของเครื่องยนต์อากาศยานส่วนใหญ่ประกอบด้วยห้องเผาไหม้ กังหันความดันสูงหรือต่ำ และหัวฉีด และอื่นๆในหมู่พวกเขา ส่วนประกอบกังหันแรงดันสูงหรือต่ำส่วนใหญ่ประกอบด้วยไกด์เบลด ใบพัดโรเตอร์ และวงแหวนรอบนอกเทอร์ไบน์ในอดีต ส่วนประกอบเหล่านี้ส่วนใหญ่ทำจากซูเปอร์อัลลอยขีดจำกัดการต้านทานอุณหภูมิจะอยู่ที่ประมาณ 1100 ℃อย่างไรก็ตาม การใช้คอมโพสิตเมทริกซ์เซรามิก SiCf / SiC ช่วยเพิ่มความทนทานต่ออุณหภูมิของชิ้นส่วนเครื่องยนต์ได้ถึง 1200 ~ 1350 ℃คุณภาพของส่วนประกอบของวัสดุผสมเซรามิกเมทริกซ์มักจะเป็น 1/4 ถึง 1/3 เท่าของซูเปอร์อัลลอยสิ่งนี้ไม่เพียงช่วยให้ประหยัดน้ำมันเชื้อเพลิง แต่ยังปรับปรุงการประหยัดน้ำมันเชื้อเพลิงอีกด้วย
เทคนิคการเตรียมหลักของวัสดุผสม SiCf/SiC ได้แก่ การแทรกซึมด้วยไอเคมี (CVI) การแตกร้าวด้วยโพลิเมอร์แบบแช่ตัว (PIP) และการละลายซิลิกอน (MI)ในปี พ.ศ. 2558 บริษัท GE ในสหรัฐอเมริกาได้นำเทคนิคการแทรกซึมพรีเพกมาใช้ในการเตรียมคอมโพสิต SiCf / SiCเส้นใย SiC สามารถเปลี่ยนเป็นผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปได้ทุกรูปทรงในเวลาน้อยกว่า 30 วันบริษัท GE ประสบความสำเร็จในการตรวจสอบส่วนประกอบกังหันความดันต่ำแบบหมุนได้เครื่องแรกของโลกบนเครื่องตรวจสอบเครื่องยนต์เทอร์โบแฟน f414สิ่งนี้บ่งชี้ว่าวัสดุคอมโพสิตเซรามิกเมทริกซ์เสริมแรงด้วยไฟเบอร์แบบต่อเนื่องมีแนวโน้มการใช้งานที่กว้างขวางในเครื่องยนต์อากาศยานและกังหันก๊าซในเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2564 เครื่องยนต์ xa100 แบบแปรผันแบบปรับได้เครื่องแรกของบริษัท GE ได้รับการทดสอบวัสดุผสมเซรามิกเมทริกซ์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในเครื่องยนต์นี้ ซึ่งจะให้พลังงานแก่เครื่องบินรบรุ่นที่หกของสหรัฐฯในช่วงปี 1980 Safran Group ในฝรั่งเศสเริ่มใช้กระบวนการ CVI เพื่อเตรียมใบพัด เครื่องผสม และกรวยกลางที่ทำจากวัสดุผสม SiCf/SiCพวกเขาได้รับการทดสอบกับเครื่องยนต์ CFM56 ในการทดสอบภาคพื้นดินนอกจากนี้ ส่วนประกอบของหัวฉีดยังผ่านการตรวจสอบการบินบนเครื่องบิน A320, A380 และเครื่องบินลำอื่นๆการผ่านการรับรองความสมควรเดินอากาศนับเป็นการกำเนิดของยุคของการใช้วัสดุผสม SiCf/SiC สำหรับส่วนประกอบที่มีอุณหภูมิสูงของเครื่องยนต์อากาศยาน
เซรามิกเมทริกซ์คอมโพสิตเป็นวัสดุป้องกันความร้อนที่สำคัญสำหรับการบินอย่างปลอดภัยของยานที่มีความเร็วเหนือเสียงความเร็วในการบินของยานที่มีความเร็วเหนือเสียงนั้นมากกว่าหรือเท่ากับ 5 เท่าของความเร็วเสียงในการบินด้วยความเร็วสูงนั้น จำเป็นต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าส่วนประกอบโครงสร้างหลักของยานพาหนะจะไม่เสียหายเนื่องจากแรงเสียดทานของอากาศที่รุนแรงและการไหลของอากาศร้อนที่ส่งผลกระทบถึง 2,000 ~ 3,000 ℃
คอมโพสิตเมทริกซ์เซรามิกเสริมแรงด้วยไฟเบอร์มีข้อดีหลายประการ เช่น ประสิทธิภาพที่อุณหภูมิสูงที่ยอดเยี่ยม ความเหนียวสูง ความแข็งแรงจำเพาะสูง โมดูลัสจำเพาะสูง และเสถียรภาพทางความร้อนที่ดี ซึ่งสามารถเอาชนะความไวต่อรอยแตกร้าวและแรงกระแทกจากความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพนอกจากนี้ยังมีการใช้งานที่สำคัญและตลาดที่กว้างขวางในด้านการป้องกันความร้อนแบบใช้ซ้ำได้ในปัจจุบัน วัสดุฉนวนกันความร้อนแบบผสมเซรามิกเมทริกซ์ได้รับการพัฒนาจากวัสดุชนิดเดียวไปสู่ระบบป้องกันความร้อนแบบใหม่ที่รวมวัสดุและโครงสร้างเข้าด้วยกันในเวลาเดียวกัน ยังพัฒนาจากการออกแบบแบบดั้งเดิมของการป้องกันความร้อน ฉนวนความร้อน และการรับน้ำหนักแยกจากกัน ไปสู่ทิศทางแสงของการป้องกันความร้อน ฉนวนความร้อน และการผสมผสานการรับน้ำหนัก
คอมโพสิตเมทริกซ์เซรามิกเสริมแรงด้วยไฟเบอร์มีคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมมากมาย เช่น ทนต่ออุณหภูมิสูง ต้านทานการระเหย มีความแข็งแรงสูง อิเล็กทริกต่ำ การสูญเสียต่ำ และความน่าเชื่อถือสูงสิ่งเหล่านี้ควรเป็นวัตถุดิบหลักของเรโดม ซึ่งเป็นหนึ่งในปัญหาคอขวดและเทคโนโลยีที่ยากในการพัฒนาขีปนาวุธและเครื่องบินรบรุ่นใหม่ในปัจจุบัน มีส่วนประกอบหลัก เช่น ควอตซ์ เซรามิกควอตซ์เสริมใยแก้ว เซรามิกซิลิกอนไนไตรด์เสริมใยแก้ว เซรามิกซิลิกอนไนไตรด์เสริมเส้นใยไนไตรด์ และอื่นๆมีคุณสมบัติครอบคลุมดีเยี่ยม เช่น ทนต่ออุณหภูมิสูง ส่งผ่านคลื่น แบกรับและระบายความร้อน และอื่นๆในช่วงระหว่างปี 2559 ถึง 2563 การวิจัยเซรามิกอุตสาหกรรมของมณฑลซานตงและ Design Institute Co., Ltd. ได้ทำการวิจัยอย่างเป็นระบบเกี่ยวกับผ้าเส้นใยไนไตรด์แบบต่อเนื่องและระบบคอมโพสิตซิลิกอนไนไตรด์เสริมใยสับแบบสับไนไตรด์วัสดุคอมโพสิตที่พัฒนาโดยบริษัทมีความต้านทานการระเหยที่ดีเยี่ยม คุณสมบัติไดอิเล็กตริกที่ยอดเยี่ยม และคุณสมบัติเชิงกลที่ดีภายใต้สภาวะของฟลักซ์ความร้อนสูงและเอนทาลปี มันสามารถทนต่ออุณหภูมิสูงถึง 2,700 ℃ และการทดสอบการระเหยในระยะยาวควรเป็นวัสดุคอมโพสิตที่ส่งคลื่นเซรามิกรุ่นใหม่ที่สามารถตอบสนองความต้องการด้านความเร็วสูง ความทนทานที่ยาวนาน การระเหยต่ำ และการส่งผ่านคลื่นสูงในอนาคต
มีการพัฒนาอย่างรวดเร็วในด้านพลเรือน
การประยุกต์ใช้ในระบบเบรก
คอมโพสิต C/C-SiC ถูกนำมาใช้ในระบบเบรก เนื่องจากวัสดุมีความหนาแน่นต่ำ ทนทานต่อการสึกหรอได้ดี ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานคงที่และคงที่ ทนต่อแรงกระแทกจากความร้อน ต้านทานการเกิดออกซิเดชัน และข้อดีอื่นๆจานเบรกชนิดนี้มีน้ำหนักเบา ทนต่ออุณหภูมิสูง และมีค่าความจุความร้อนจำเพาะสูงกว่าเหล็กถึง 2.5 เท่าเมื่อเทียบกับระบบเบรกโลหะ จานเบรกนี้สามารถลดน้ำหนักโครงสร้างได้ 40%อายุการใช้งานของจานเบรกคาร์บอนอยู่ที่ 5-7 เท่าของฐานโลหะโดยเฉพาะอย่างยิ่ง แรงบิดในการเบรกนั้นเสถียรและมีเสียงรบกวนเล็กน้อยเมื่อเบรกดิสก์เบรกคาร์บอนคอมโพสิต C/C-SiC ถูกนำมาใช้ในสถานการณ์จริง
การประยุกต์ใช้ในชีววิทยา
วัสดุคอมโพสิต C/C เป็นวัสดุชีวการแพทย์ที่มีศักยภาพใหม่ ซึ่งมีแนวโน้มการใช้งานที่ดีในการซ่อมแซมกระดูกมนุษย์และการเปลี่ยนกระดูกปัจจุบันวัสดุคอมโพสิต C/C ถูกนำมาใช้ในกระดูกเชิงกราน เฝือกดามกระดูก และเข็มดามกระดูกในคลินิกมีรายงานว่าสารนี้ใช้เป็นวัสดุซ่อมแซมหูชั้นกลางของลิ้นหัวใจเทียมนอกจากนี้ยังประสบความสำเร็จในการประยุกต์ใช้ทางคลินิกในรากเทียม
การประยุกต์ใช้ในองค์ประกอบความร้อน
เครื่องกำเนิดความร้อนแบบกราไฟต์มีความแข็งแรงต่ำ เปราะ และยากต่อการแปรรูปและขนส่งวัสดุคอมโพสิต C/C มีข้อได้เปรียบในด้านความแข็งแรงสูง ความเหนียวที่ดี ทนต่ออุณหภูมิสูง และอื่นๆวัสดุนี้สามารถลดปริมาตรของตัวทำความร้อน ขยายพื้นที่การทำงาน และอื่นๆ
การประยุกต์ใช้ในด้านการคุ้มครองสิ่งแวดล้อม
การวิจัยเซรามิกส์อุตสาหกรรมของมณฑลซานตงและ Design Institute Co. , Ltd. ประสบความสำเร็จในการพัฒนาท่อเมมเบรนแบบคอมโพสิตเส้นใยเซรามิกชนิดใหม่ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาวัสดุผสมนี้เป็นวัสดุกรองก๊าซอุณหภูมิสูงที่ผสานรวมการทำให้บริสุทธิ์ของอนุภาคที่มีประสิทธิภาพสูงและฟังก์ชันการสลายตัวของตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งสามารถกำจัดอนุภาคเขม่าและไนโตรเจนออกไซด์ได้อย่างมีประสิทธิภาพที่อุณหภูมิสูง (สูงกว่า 250 ℃)วัสดุประเภทนี้มีข้อดีของประสิทธิภาพการกรองสูง ทนต่ออุณหภูมิสูง มีฤทธิ์เร่งปฏิกิริยาที่อุณหภูมิสูงได้ดี ประสิทธิภาพการแปลง NOx สูง อายุการใช้งานยาวนาน และอื่นๆความแม่นยำในการกรองสามารถดักจับอนุภาคขนาด 0.1 ไมครอน และการปล่อยมลพิษต่ำสุดคือ 1 มก./ลบ.ม.ทนต่ออุณหภูมิได้สูงถึง 650 ℃โดยเฉพาะอย่างยิ่ง อัตราการกำจัดไนโตรเจนออกไซด์สามารถเข้าถึงมากกว่า 97%เมมเบรนทำหน้าที่ผสมเส้นใยเซรามิกถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการทำให้ก๊าซบริสุทธิ์ที่อุณหภูมิสูงในวัสดุก่อสร้าง การเผา การเผาถ่าน การผลิตไฟฟ้าชีวมวล และสาขาอื่นๆ
จนถึงขณะนี้ ยังคงมีปัญหาทางเทคนิคมากมายที่ต้องแก้ไข
การวิจัยคอมโพสิตเมทริกซ์เซรามิกในประเทศจีนเริ่มต้นค่อนข้างช้าอย่างไรก็ตาม ในช่วงไม่กี่ปีมานี้ในแง่ของเส้นใยเซรามิกประสิทธิภาพสูง เส้นใยหลัก เช่น ซิลิกอนคาร์ไบด์ อะลูมิเนียมออกไซด์ ซิลิกอนไนไตรด์ ไนไตรด์ และอื่นๆ ประสบความสำเร็จในด้านเทคโนโลยีวิศวกรรมและอุตสาหกรรมเทคโนโลยีการเตรียมการ เทคโนโลยีการประมวลผล เทคโนโลยีการเชื่อมต่อ เทคโนโลยีการประเมินความน่าเชื่อถือ และเทคโนโลยีการใช้งานของคอมโพสิตเมทริกซ์เซรามิกได้รับการปรับปรุงอย่างมากส่วนประกอบต่างๆ ของเครื่องยนต์อากาศยานได้รับการออกแบบ พัฒนา และประเมินอย่างไรก็ตาม ยังมีช่องว่างขนาดใหญ่ในการเปรียบเทียบกับประเทศที่พัฒนาแล้ว เช่น ยุโรป อเมริกา ญี่ปุ่น เป็นต้นในแง่ของการตรวจสอบและการประยุกต์ใช้การประเมินองค์ประกอบ จีนยังอยู่ในช่วงเริ่มต้นขอบเขตการสมัครและเวลาการประเมินสะสมมีจำกัดมากนอกจากนี้ยังมีช่องว่างขนาดใหญ่เมื่อเทียบกับการวิจัยประยุกต์ทางวิศวกรรมต่างประเทศ
เพื่อที่จะตระหนักถึงการประยุกต์ใช้วัสดุผสมเซรามิกเมทริกซ์ในส่วนประกอบที่มีอุณหภูมิสูงของเครื่องยนต์อากาศยาน มีปัญหาทางเทคนิคต่อไปนี้ซึ่งจำเป็นต้องได้รับการแก้ไขเป็นหลัก:
1) เพื่อพัฒนาเส้นใยเซรามิกประสิทธิภาพสูงซึ่งแสดงโดยเส้นใยคาร์ไบด์ที่มีอุณหภูมิสูงพิเศษและต้นทุนต่ำ และเทคโนโลยีคอมโพสิต
2) เพื่อเจาะทะลุซิลิคอนคาร์ไบด์ อะลูมิเนียมออกไซด์ ซิลิกอนไนไตรด์ โบรอนไนไตรด์ ซิลิคอนโบรอนไนโตรเจน และเส้นใยอื่น ๆ และเทคโนโลยีการเตรียมความเสถียรทางวิศวกรรมของสารตั้งต้น
3) เพื่อพัฒนาเทคโนโลยีการผลิตคอมโพสิตเมทริกซ์เซรามิกที่รวดเร็วและต้นทุนต่ำ
4) เพื่อทำลายเทคโนโลยีที่สำคัญในห่วงโซ่อุตสาหกรรมทั้งหมดของคอมโพสิตเซรามิกเมทริกซ์ และบรรลุการประสานงานที่มีประสิทธิภาพของเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้อง
5) เพื่อเสริมสร้างการวิจัยเกี่ยวกับโครงสร้างภายในและกลไกการวิบัติของวัสดุผสมเซรามิกเมทริกซ์ และสร้างแบบจำลองการทำนายชีวิต
6) เสริมสร้างการวิจัยด้านการประยุกต์ใช้และสร้างระบบการประเมินและมาตรฐาน;
ในตลาดปัจจุบัน คอมโพสิตเมทริกซ์เซรามิกที่มีความต้องการใช้งานสูงในตลาดส่วนใหญ่ ได้แก่ ซิลิกอนคาร์ไบด์เซรามิกเมทริกซ์เสริมเส้นใยซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiCf/SiC) และคอมโพสิตเมทริกซ์เซรามิกคาร์ไบด์เสริมใยคาร์บอน (CF/SiC)ในหมู่พวกเขา วัสดุชนิดแรกถือเป็นหนึ่งในวัสดุที่มีแนวโน้มมากที่สุดสำหรับเครื่องยนต์อากาศยานในอนาคต ซึ่งเป็นวัสดุหลักในการปรับปรุงประสิทธิภาพของเครื่องยนต์อากาศยานด้วยในอนาคต ศักยภาพการพัฒนาของตลาดวัสดุผสมเซรามิกในประเทศมีมาก
เซรามิกเมทริกซ์คอมโพสิต (CMC)
คำนิยาม
คอมโพสิตสามารถแบ่งออกเป็นสามประเภทตามพื้นผิวที่แตกต่างกัน:
พอลิเมอร์เมทริกซ์คอมโพสิต (PMC)
คอมโพสิตเมทริกซ์โลหะ (MMC)
เซรามิกเมทริกซ์คอมโพสิต (CMC)
ในหมู่พวกเขา การประยุกต์ใช้ PMC มีบทบาทสำคัญในการบินและอวกาศวัสดุคอมโพสิตที่กล่าวถึงจะเกี่ยวข้องกับคำศัพท์ต่างๆ เช่น พลาสติกเทอร์โมเซตติง, CFRP (คอมโพสิตโพลีเมอร์เสริมใยคาร์บอน) และอื่นๆ
