Seramik kompozitler
Detaylar
Elyaf hazırlama teknolojisinin ve diğer ilgili teknolojilerin gelişmesiyle birlikte, bu tür malzemeleri hazırlamak için etkili yöntemler kademeli olarak geliştirilmiştir.Sürekli Elyaf Takviyeli Seramik Matris Kompozit hazırlama teknolojisini giderek daha olgun hale getirdi.Şu anda, Sürekli Elyaf Takviyeli Seramik Matris Kompozitler, havacılık, ulusal savunma ve diğer alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır.
Sürekli Elyaf Takviyeli Seramik Matris Kompozitler, havacılık alanında yaygın olarak kullanılmaktadır.
Silisyum karbür fiber (SiCf) / silisyum karbür seramik (SiC) matris kompozitler, Aeromotorlar için yeni nesil yüksek sıcaklığa dayanıklı malzemeler haline geldi.Uçak motorunun yüksek sıcaklık bileşenleri, esas olarak yanma odası, yüksek veya düşük basınçlı türbin ve nozül vb.Bunlar arasında, yüksek veya düşük basınçlı türbin bileşenleri esas olarak kılavuz kanatları, rotor kanatlarını ve türbin dış halkalarını içerir.Geçmişte, bu bileşenler esas olarak süper alaşımlardan yapılmıştır.Sıcaklık direnci sınırı yaklaşık 1100 ℃'de tutulur.Bununla birlikte, SiCf / SiC seramik matris kompozitlerinin uygulanması, motor bileşenlerinin sıcaklık direncini 1200 ~ 1350 ℃'ye kadar artırır.Seramik matrisli kompozitlerin bileşen kalitesi genellikle süper alaşımlarınkinin 1/4 ila 1/3 katıdır.Bu sadece yakıt tasarrufu sağlamakla kalmaz, aynı zamanda yakıt ekonomisini de iyileştirir.
SiCf/SiC kompozitlerinin ana hazırlama tekniği, kimyasal buhar infiltrasyonu (CVI), polimer daldırma çatlaması (PIP) ve eriyik silikonlaştırmayı (MI) içerir.2015 yılında ABD'deki GE şirketi, SiCf / SiC kompozitlerini hazırlamak için prepreg sızma tekniğini benimsedi.SiC elyafları, 30 günden daha kısa sürede herhangi bir şekilde nihai ürüne dönüştürülebilir.GE Şirketi, f414 turbofan motoru doğrulama makinesinde dünyanın ilk dönen düşük basınçlı türbin bileşenini başarıyla doğruladı.Bu, sürekli elyaf takviyeli seramik matris kompozitlerin uçak motorlarında ve gaz türbinlerinde geniş bir uygulama beklentisine sahip olduğunu göstermektedir.Mayıs 2021'de GE Company'nin ilk uyarlanabilir değişken çevrim motoru xa100 test edildi.ABD'nin altıncı nesil savaş uçaklarına güç sağlayacak olan bu motorda seramik matrisli kompozit malzemeler yaygın olarak kullanılıyor.1980'lerde Fransa'daki Safran Group, SiCf/SiC kompozit malzemelerden yapılmış rotor kanatları, karıştırıcılar ve merkez konileri hazırlamak için CVI İşlemini kullanmaya başladı.Yer testinde CFM56 motorunda test edilmişlerdir.Ek olarak, nozul bileşenleri de A320, A380 ve diğer uçaklarda uçuş onaylıdır.Uçuşa elverişlilik sertifikasının geçmesi, uçak motorlarının yüksek sıcaklık bileşenleri için SiCf/SiC kompozit malzemeleri kullanma çağının gelişini işaret ediyor.
Seramik matrisli kompozitler, hipersonik araçların güvenli uçuşu için temel termal koruma malzemeleridir.Hipersonik bir aracın uçuş hızı, ses hızının 5 katından büyük veya eşittir.Böyle yüksek hızlı bir uçuşta, 2000 ~ 3000 ℃'ye kadar yoğun hava sürtünmesi ve sıcak hava akımı etkisi nedeniyle aracın temel yapısal bileşenlerinin zarar görmemesini sağlamak gerekir.
Elyaf Takviyeli Seramik Matris Kompozitler, mükemmel yüksek sıcaklık performansı, yüksek tokluk, yüksek özgül mukavemet, yüksek özgül modül ve çatlaklara ve termal şoka karşı hassasiyeti etkili bir şekilde yenebilen iyi termal kararlılık gibi birçok avantaja sahiptir.Ayrıca yeniden kullanılabilir termal koruma alanında önemli uygulamalara ve geniş bir pazara sahiptir.Şu anda, seramik matrisli kompozit ısı yalıtım malzemeleri, tek bir malzemeden, malzemeleri ve yapıları birleştiren yeni bir termal koruma sistemine geliştirilmiştir.Aynı zamanda, geleneksel ısı koruması, ısı yalıtımı ve yük taşıma tasarımından, ısı koruması, ısı yalıtımı ve yük taşıma entegrasyonunun ışık yönüne ayrı ayrı gelişir.
Elyaf Takviyeli Seramik Matris Kompozitler, yüksek sıcaklık direnci, aşınma direnci, yüksek mukavemet, düşük dielektrik, düşük kayıp ve yüksek güvenilirlik gibi birçok mükemmel özelliğe sahiptir.Yeni füzelerin ve savaş uçaklarının geliştirilmesinde darboğazlardan ve zor teknolojilerden biri olan radomun anahtar malzemesi olmalıdırlar.Şu anda, kuvars, elyaf takviyeli kuvars seramikler, kuvars elyaf takviyeli silikon nitrür seramikler, nitrür elyaf takviyeli silisyum nitrür seramikler ve benzeri gibi esas olarak kompozitler bulunmaktadır.Hepsi, yüksek sıcaklık direnci, dalga iletimi, yatak ve ısı salımı vb. gibi mükemmel kapsamlı özelliklere sahiptir.2016'dan 2020'ye kadar olan dönemde, Shandong endüstriyel seramik araştırma ve Tasarım Enstitüsü Co., Ltd., sürekli nitrür fiber kumaş ve nitrür kıyılmış fiber takviyeli silikon nitrür kompozit sistem üzerinde sistematik araştırmalar yürütmüştür.Şirket tarafından geliştirilen kompozit malzeme, mükemmel aşınma direncine, mükemmel dielektrik özelliklere ve iyi mekanik özelliklere sahiptir.Yüksek ısı akısı ve entalpi koşulları altında, 2700 ℃ yüksek sıcaklığa ve uzun süreli ablasyon testine dayanabilir.Gelecekte yüksek hız, uzun dayanıklılık, düşük ablasyon ve yüksek dalga iletimi gereksinimlerini karşılayabilecek yeni nesil seramik dalga ileten kompozit malzeme olmalıdır.
Sivil alanda hızla gelişmiştir.
Fren sisteminde uygulama
C/C-SiC kompozitleri, malzemenin düşük yoğunluğu, iyi aşınma direnci, sabit ve kararlı sürtünme katsayısı, termal şok direnci, oksidasyon direnci ve diğer avantajlara sahip olması nedeniyle fren sistemlerinde kullanılmıştır.Bu tür bir fren diski hafiftir, sıcaklık direnci yüksektir ve özgül ısı kapasitesi çelikten 2,5 kat daha yüksektir.Metal fren sistemiyle karşılaştırıldığında, bu fren diski yapısal ağırlıktan %40 tasarruf sağlayabilir.Karbon fren diskinin kullanım ömrü metal tabanın 5-7 katıdır.Özellikle frenleme torku sabittir ve frenleme sırasında gürültü azdır.Pratik durumlarda C/C-SiC kompozit karbon fren diski uygulanmıştır.
Biyolojide uygulama
C/C kompozit malzeme, insan kemik onarımı ve kemik replasmanında iyi bir uygulama beklentisi olan yeni bir potansiyel biyomedikal malzemedir.Günümüzde klinik alanda pelvis, kemik ateli ve kemik iğnesinde C/C kompozit materyal kullanılmaktadır.Bu malzemenin yapay kalp kapakçıklarının orta kulağında tamir malzemesi olarak kullanıldığı da bildirilmiştir.Ayrıca yapay kökte iyi bir klinik uygulama etkisi elde etmiştir.
Isıtma elemanında uygulama
Grafit ısı jeneratörü, mukavemeti düşük, kırılgandır ve işlenmesi ve taşınması zordur.C/C kompozit malzeme, yüksek mukavemet, iyi tokluk, yüksek sıcaklık direnci vb. avantajlara sahiptir.Bu malzeme ısıtma gövdesinin hacmini azaltabilir, çalışma alanını genişletebilir vb.
Çevre koruma alanında uygulama
Shandong endüstriyel seramik araştırma ve Tasarım Enstitüsü Co., Ltd., son yıllarda başarılı bir şekilde yeni bir tür seramik elyaf kompozit fonksiyonel membran tüpü geliştirdi.Bu kompozit malzeme, yüksek sıcaklıkta (250 °C'nin üzerinde) kurum parçacıklarını ve nitrojen oksitleri etkili bir şekilde giderebilen, yüksek verimli parçacık saflaştırma ve katalitik denitrasyon fonksiyonlarını birleştiren yüksek sıcaklıkta bir gaz arıtma malzemesidir.bu tür bir malzeme, yüksek filtrasyon verimliliği, yüksek sıcaklık direnci, iyi yüksek sıcaklık katalitik aktivitesi, yüksek NOx dönüşüm verimliliği, uzun hizmet ömrü vb. avantajlara sahiptir.Filtreleme hassasiyeti 0,1μm partikülleri yakalayabilir ve en düşük emisyonu 1mg/m³'tür.Sıcaklık direnci 650 ℃ kadar yüksektir.Özellikle nitrojen oksit giderim oranı %97'nin üzerine çıkabilmektedir.Seramik elyaf kompozit fonksiyonel membran, inşaat malzemeleri, yakma, koklaştırma, biyokütle enerji üretimi ve diğer alanlarda yüksek sıcaklıkta gaz arıtmada yaygın olarak kullanılmaktadır.
Şimdiye kadar, üstesinden gelinmesi gereken birçok teknik zorluk var.
Çin'de seramik matrisli kompozitlerin araştırılması nispeten geç başlamıştır.Ancak son yıllarda önemli atılımlar yapıldı.Yüksek performanslı seramik elyaflar açısından, silisyum karbür, alüminyum oksit, silisyum nitrür, nitrür ve diğerleri gibi ana elyaflar, mühendislik teknolojisinde ve sanayileşmede çığır açmıştır.Seramik matrisli kompozitlerin hazırlama teknolojisi, işleme teknolojisi, bağlantı teknolojisi, güvenilirlik değerlendirme teknolojisi ve uygulama teknolojisi büyük ölçüde geliştirilmiştir.Uçak motorlarının birçok bileşeni tasarlanmış, geliştirilmiş ve değerlendirilmiştir.Ancak Avrupa, Amerika, Japonya gibi gelişmiş ülkelerle kıyaslamada hala büyük bir boşluk var.Bileşen değerlendirme doğrulaması ve uygulaması açısından Çin, henüz başlangıç aşamasındadır.Uygulama kapsamı ve kümülatif değerlendirme süresi çok sınırlıdır.Ayrıca yabancı mühendislik uygulama araştırmalarına kıyasla çok büyük bir boşluk var.
Uçak motorlarının yüksek sıcaklık bileşenlerinde seramik matrisli kompozitlerin uygulanmasını gerçekleştirmek için, esas olarak çözülmesi gereken aşağıdaki teknik zorluklar vardır:
1) ultra yüksek sıcaklık ve düşük maliyetli karbür lifler ve bunların kompozit teknolojisi ile temsil edilen yüksek performanslı seramik lifler geliştirmek;
2) silisyum karbür, alüminyum oksit, silikon nitrür, bor nitrür, silikon bor nitrojen ve diğer lifleri ve öncülünün mühendislik kararlı hazırlama teknolojisini kırmak;
3) seramik matrisli kompozitlerin hızlı ve düşük maliyetli üretim teknolojisini geliştirmek;
4) tüm endüstriyel seramik matrisli kompozitler zincirindeki kilit teknolojileri kırmak ve ilgili teknolojilerin etkin koordinasyonunu sağlamak;
5) seramik matriksli kompozitlerin içsel yapısı ve başarısızlık mekanizması üzerine araştırmaları güçlendirmek ve ömür tahmin modeli oluşturmak;
6) uygulama tarafında araştırmayı güçlendirmek ve değerlendirme sistemi ve standartlarını oluşturmak;
Mevcut pazarda, piyasada yüksek uygulama talebi olan seramik matrisli kompozitler esas olarak silisyum karbür elyaf takviyeli silisyum karbür seramik matris (SiCf/SiC) ve karbon elyaf takviyeli silisyum karbür seramik matris (CF/SiC) kompozitleri içerir.Bunların arasında, ilki, aynı zamanda uçak motorunun performansını iyileştirmek için temel malzeme olan, geleceğin uçak motoru için en umut verici malzemelerden biri olarak kabul edilir.Gelecekte, yerli seramik kompozit malzeme pazarının gelişme potansiyeli çok büyük.
Seramik Matris Kompozit (CMC)
Tanım
Kompozitler, farklı yüzeylere göre üç kategoriye ayrılabilir:
Polimer Matris Kompozit (PMC)
Metal Matris Kompozit (MMC)
Seramik Matris Kompozit (CMC)
Bunlar arasında, PMC uygulaması havacılıkta öncü bir rol oynamaktadır.Bahsedilen kompozit malzemeler, termoset plastikler, CFRP (karbon fiber takviyeli polimer bazlı kompozit) vb. terimlerle ilişkilendirilecektir.
