vật liệu tổng hợp gốm
Chi tiết
Với sự phát triển của công nghệ chuẩn bị sợi và các công nghệ liên quan khác, các phương pháp hiệu quả để chuẩn bị các vật liệu này đã dần được phát triển.Nó đã làm cho công nghệ điều chế Hỗn hợp ma trận gốm gia cố sợi liên tục ngày càng hoàn thiện hơn.Hiện tại, Vật liệu tổng hợp ma trận gốm gia cường sợi liên tục đã được sử dụng rộng rãi trong hàng không vũ trụ, quốc phòng và các lĩnh vực khác.
Vật liệu tổng hợp ma trận gốm gia cường sợi liên tục đã được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực hàng không vũ trụ.
Vật liệu tổng hợp ma trận sợi cacbua silic (SiCf) / gốm cacbua silic (SiC) đã trở thành một thế hệ vật liệu chịu nhiệt độ cao mới cho động cơ hàng không.Các thành phần nhiệt độ cao của động cơ aero chủ yếu bao gồm buồng đốt, tuabin áp suất cao hoặc thấp và vòi phun, v.v.Trong số đó, các thành phần tuabin áp suất cao hoặc áp suất thấp chủ yếu bao gồm cánh dẫn hướng, cánh quạt và vòng ngoài tuabin.Trước đây, các thành phần này chủ yếu được làm bằng siêu hợp kim.Giới hạn chịu nhiệt độ của nó được duy trì ở khoảng 1100 ℃.Tuy nhiên, việc áp dụng vật liệu tổng hợp ma trận gốm SiCf / SiC giúp cải thiện khả năng chịu nhiệt độ của các bộ phận động cơ lên 1200 ~ 1350 ℃.Chất lượng thành phần của vật liệu tổng hợp ma trận gốm thường bằng 1/4 đến 1/3 lần so với siêu hợp kim.Điều này không chỉ đạt được mức tiết kiệm nhiên liệu mà còn cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu.
Kỹ thuật chuẩn bị chính của vật liệu composite SiCf/SiC bao gồm thấm hơi hóa học (CVI), cracking ngâm polyme (PIP) và silic hóa nóng chảy (MI).Vào năm 2015, công ty GE ở Hoa Kỳ đã áp dụng kỹ thuật xâm nhập prepreg để điều chế vật liệu tổng hợp SiCf / SiC.Sợi SiC có thể được chuyển đổi thành sản phẩm hoàn chỉnh với bất kỳ hình dạng nào trong vòng chưa đầy 30 ngày.Công ty GE đã kiểm định thành công bộ phận tua-bin áp suất thấp quay đầu tiên trên thế giới trên máy kiểm định động cơ phản lực cánh quạt f414.Điều này chỉ ra rằng vật liệu tổng hợp ma trận gốm được gia cố bằng sợi liên tục có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong động cơ máy bay và tua-bin khí.Vào tháng 5 năm 2021, động cơ chu kỳ biến thiên thích ứng đầu tiên xa100 của Công ty GE đã được thử nghiệm.Vật liệu composite ma trận gốm được sử dụng rộng rãi trong động cơ này, sẽ cung cấp năng lượng cho máy bay chiến đấu thế hệ thứ sáu của Mỹ.Vào những năm 1980, Tập đoàn Safran ở Pháp bắt đầu sử dụng Quy trình CVI để chuẩn bị cánh quạt, máy trộn và nón trung tâm làm bằng vật liệu composite SiCf/SiC.Chúng đã được thử nghiệm trên động cơ CFM56 trong cuộc thử nghiệm trên mặt đất.Ngoài ra, các bộ phận vòi phun cũng đã được kiểm chứng chuyến bay trên A320, A380 và các loại máy bay khác.Việc thông qua chứng nhận đủ điều kiện bay đánh dấu sự ra đời của kỷ nguyên sử dụng vật liệu composite SiCf/SiC cho các thành phần nhiệt độ cao của động cơ hàng không.
Vật liệu tổng hợp ma trận gốm là vật liệu bảo vệ nhiệt chính cho chuyến bay an toàn của các phương tiện siêu thanh.Tốc độ bay của phương tiện siêu thanh lớn hơn hoặc bằng 5 lần tốc độ âm thanh.Trong một chuyến bay tốc độ cao như vậy, cần phải đảm bảo rằng các bộ phận cấu trúc chính của phương tiện sẽ không bị hư hại do ma sát không khí mạnh và tác động của luồng không khí nóng lên tới 2000 ~ 3000 ℃.
Vật liệu tổng hợp ma trận gốm gia cố sợi có nhiều ưu điểm, chẳng hạn như hiệu suất nhiệt độ cao tuyệt vời, độ dẻo dai cao, cường độ riêng cao, mô đun riêng cao và ổn định nhiệt tốt, có thể khắc phục hiệu quả độ nhạy với vết nứt và sốc nhiệt.Nó cũng có các ứng dụng quan trọng và thị trường rộng lớn trong lĩnh vực bảo vệ nhiệt có thể tái sử dụng.Hiện tại, vật liệu cách nhiệt hỗn hợp ma trận gốm đã được phát triển từ một vật liệu đơn lẻ thành một hệ thống bảo vệ nhiệt mới kết hợp giữa vật liệu và cấu trúc.Đồng thời, nó cũng phát triển từ thiết kế truyền thống bảo vệ nhiệt, cách nhiệt và chịu lực riêng biệt sang hướng ánh sáng tích hợp bảo vệ nhiệt, cách nhiệt và chịu lực.
Vật liệu tổng hợp ma trận gốm gia cố sợi có nhiều đặc tính tuyệt vời như khả năng chịu nhiệt độ cao, khả năng chống ăn mòn, độ bền cao, điện môi thấp, tổn thất thấp và độ tin cậy cao.Chúng phải là vật liệu chính của mái vòm radar, đây là một trong những nút thắt cổ chai và công nghệ khó khăn trong quá trình phát triển tên lửa và máy bay chiến đấu mới.Hiện nay, chủ yếu có các vật liệu tổng hợp như thạch anh, gốm thạch anh được gia cố bằng sợi, gốm silicon nitride được gia cố bằng sợi thạch anh, gốm nitride silicon được gia cố bằng sợi nitride, v.v.Tất cả chúng đều có các đặc tính toàn diện tuyệt vời như khả năng chịu nhiệt độ cao, truyền sóng, chịu lực & giải phóng nhiệt, v.v.Trong giai đoạn từ năm 2016 đến năm 2020, Công ty TNHH Viện thiết kế và nghiên cứu gốm công nghiệp Sơn Đông đã thực hiện nghiên cứu có hệ thống về vải sợi nitride liên tục và hệ thống composite silicon nitride được gia cố bằng sợi nitride.Vật liệu composite do công ty phát triển có khả năng chống mài mòn tuyệt vời, tính chất điện môi tuyệt vời và tính chất cơ học tốt.Trong điều kiện thông lượng nhiệt và entanpy cao, nó có thể chịu được nhiệt độ cao 2700 ℃ và thử nghiệm cắt bỏ dài hạn.Nó phải là một thế hệ vật liệu composite truyền sóng gốm mới có thể đáp ứng các yêu cầu về tốc độ cao, độ bền lâu, mức độ mài mòn thấp và truyền sóng cao trong tương lai.
Nó đã phát triển nhanh chóng trong lĩnh vực dân sự.
Ứng dụng trong hệ thống phanh
Vật liệu tổng hợp C / C-SiC đã được sử dụng trong các hệ thống phanh, vì vật liệu này có mật độ thấp, khả năng chống mài mòn tốt, hệ số ma sát không đổi và ổn định, khả năng chống sốc nhiệt, chống oxy hóa và các ưu điểm khác.Loại đĩa phanh này có trọng lượng nhẹ, khả năng chịu nhiệt độ cao và nhiệt dung riêng cao gấp 2,5 lần so với thép.So với hệ thống phanh kim loại, đĩa phanh này có thể tiết kiệm 40% trọng lượng kết cấu.Tuổi thọ của đĩa phanh carbon gấp 5-7 lần so với đế kim loại.Đặc biệt, momen phanh ổn định và tiếng ồn nhỏ khi phanh.Đĩa phanh carbon tổng hợp C/C-SiC đã được ứng dụng trong các tình huống thực tế.
Ứng dụng trong sinh học
Vật liệu tổng hợp C/C là vật liệu y sinh tiềm năng mới, có triển vọng ứng dụng tốt trong sửa chữa xương người và thay thế xương.Hiện tại, vật liệu composite C/C đã được sử dụng trong khung chậu, nẹp xương và kim xương trong lĩnh vực phòng khám.Cũng có thông tin cho rằng vật liệu này được dùng làm vật liệu sửa chữa tai giữa của van tim nhân tạo.Nó cũng đã đạt được hiệu quả ứng dụng lâm sàng tốt trong rễ nhân tạo.
Ứng dụng trong bộ phận làm nóng
Than chì sinh nhiệt có cường độ thấp, giòn và khó gia công, vận chuyển.Vật liệu tổng hợp C / C có ưu điểm là độ bền cao, độ dẻo dai tốt, khả năng chịu nhiệt độ cao, v.v.Vật liệu này có thể làm giảm thể tích của thân sưởi, mở rộng khu vực làm việc, v.v.
Ứng dụng trong lĩnh vực bảo vệ môi trường
Công ty TNHH Viện thiết kế và nghiên cứu gốm sứ công nghiệp Sơn Đông, đã phát triển thành công một loại ống màng chức năng composite sợi gốm mới trong những năm gần đây.Vật liệu composite này là vật liệu lọc khí ở nhiệt độ cao, tích hợp các chức năng khử nitơ xúc tác và tinh chế hạt hiệu quả cao, có thể loại bỏ hiệu quả các hạt bồ hóng và oxit nitơ ở nhiệt độ cao (trên 250 ℃).loại vật liệu này có ưu điểm là hiệu suất lọc cao, khả năng chịu nhiệt độ cao, hoạt tính xúc tác ở nhiệt độ cao tốt, hiệu suất chuyển đổi NOx cao, tuổi thọ dài, v.v.Độ chính xác lọc của nó có thể chặn các hạt 0,1μm và mức phát thải thấp nhất của nó là 1mg/m³.Khả năng chịu nhiệt độ của nó cao tới 650 ℃.Đặc biệt, tỷ lệ loại bỏ oxit nitơ của nó có thể đạt tới hơn 97%.Màng chức năng composite sợi gốm đã được sử dụng rộng rãi trong quá trình lọc khí ở nhiệt độ cao trong vật liệu xây dựng, lò đốt, luyện cốc, sản xuất điện sinh khối và các lĩnh vực khác.
Cho đến nay, vẫn còn nhiều khó khăn kỹ thuật cần khắc phục.
Việc nghiên cứu vật liệu tổng hợp ma trận gốm ở Trung Quốc bắt đầu tương đối muộn.Tuy nhiên, những bước đột phá đáng kể đã được thực hiện trong những năm gần đây.Về sợi gốm hiệu suất cao, các loại sợi chính như silicon carbide, nhôm oxit, silicon nitride, nitride và các loại khác đã đạt được những bước đột phá trong công nghệ kỹ thuật và công nghiệp hóa.Công nghệ chuẩn bị, công nghệ xử lý, công nghệ kết nối, công nghệ đánh giá độ tin cậy và công nghệ ứng dụng của vật liệu tổng hợp ma trận gốm đã được cải thiện rất nhiều.Nhiều thành phần của aeroengines đã được thiết kế, phát triển và đánh giá.Tuy nhiên, vẫn còn một khoảng cách lớn so với các nước tiên tiến như Châu Âu, Mỹ, Nhật Bản, v.v.Về mặt xác minh và ứng dụng đánh giá thành phần, Trung Quốc vẫn còn ở giai đoạn sơ khai.Phạm vi ứng dụng và thời gian đánh giá tích lũy rất hạn chế.Ngoài ra còn có một khoảng cách rất lớn so với nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật nước ngoài.
Để hiện thực hóa ứng dụng vật liệu tổng hợp ma trận gốm trong các thành phần nhiệt độ cao của aeroengines, có những khó khăn kỹ thuật sau cần được giải quyết chủ yếu:
1) phát triển sợi gốm hiệu suất cao được thể hiện bằng sợi cacbua nhiệt độ cực cao và chi phí thấp và công nghệ tổng hợp của chúng;
2) để phá vỡ cacbua silic, oxit nhôm, nitrua silic, nitrua boron, nitơ boron silic và các loại sợi khác và công nghệ chuẩn bị ổn định kỹ thuật của tiền chất của nó;
3) phát triển công nghệ sản xuất vật liệu tổng hợp ma trận gốm nhanh chóng và chi phí thấp;
4) vượt qua các công nghệ chính trong toàn bộ chuỗi công nghiệp vật liệu tổng hợp ma trận gốm và đạt được sự phối hợp hiệu quả của các công nghệ liên quan;
5) tăng cường nghiên cứu về cấu trúc bên trong và cơ chế hỏng hóc của vật liệu tổng hợp ma trận gốm và thiết lập mô hình dự đoán tuổi thọ;
6) tăng cường nghiên cứu về khía cạnh ứng dụng và thiết lập hệ thống và tiêu chuẩn đánh giá;
Trên thị trường hiện nay, vật liệu tổng hợp ma trận gốm có nhu cầu ứng dụng cao trên thị trường chủ yếu bao gồm ma trận gốm silicon carbide gia cố bằng sợi cacbua (SiCf/SiC) và vật liệu tổng hợp ma trận gốm silicon carbide gia cố sợi carbon (CF/SiC).Trong số đó, vật liệu trước đây được coi là một trong những vật liệu hứa hẹn nhất cho động cơ hàng không trong tương lai, đây cũng là vật liệu chính để cải thiện hiệu suất của động cơ hàng không.Trong tương lai, tiềm năng phát triển của thị trường vật liệu composite gốm trong nước là rất lớn.
Gốm ma trận tổng hợp (CMC)
Sự định nghĩa
Vật liệu tổng hợp có thể được chia thành ba loại theo các chất nền khác nhau:
Hỗn hợp ma trận polymer (PMC)
Hỗn hợp ma trận kim loại (MMC)
Gốm ma trận tổng hợp (CMC)
Trong số đó, ứng dụng của PMC đóng vai trò hàng đầu trong ngành hàng không vũ trụ.Các vật liệu composite đã đề cập sẽ được liên kết với các thuật ngữ như nhựa nhiệt rắn, CFRP (composite dựa trên polyme gia cố sợi carbon), v.v.
