Nowe włókno o wysokiej wydajności – włókno z węglika krzemu

Włókno z węglika krzemu ma zalety odporności na utlenianie w wysokiej temperaturze, wysokiej twardości, wysokiej wytrzymałości, wysokiej stabilności termicznej, odporności na korozję i niskiej gęstości. Jest to jeden z najbardziej idealnych materiałów odpornych na wysokie temperatury w przemyśle lotniczym, wzmacniających i stealth. Ma również mały przekrój absorpcji neutronów, więc ma szerokie perspektywy zastosowania w lotnictwie, przemyśle lotniczym, energetyce jądrowej i innych dziedzinach.

Wysoki stosunek ciągu do masy to cel, do którego stale dążą zaawansowane silniki lotnicze. Wraz ze wzrostem stosunku ciągu do masy silnika, temperatura wlotu turbiny nadal rośnie, a istniejący system materiałów stopowych wysokotemperaturowych jest trudny do spełnienia wymagań zaawansowanych silników lotniczych. Na przykład temperatura wlotu turbiny istniejących silników o stosunku ciągu do masy wynoszącym 10 osiągnęła 1500°C, a średnia temperatura wlotu turbiny silników o stosunku ciągu do masy wynoszącym 12 do 15 przekroczy 1800°C, co znacznie przekracza temperaturę użytkowania stopów wysokotemperaturowych i związków międzymetalicznych. Obecnie temperatura robocza materiałów stopowych wysokotemperaturowych na bazie niklu o najlepszej odporności cieplnej może osiągnąć jedynie około 1100°C. Temperaturę roboczą SiCf/SiC można zwiększyć do 1650°C i jest ona uważana za najbardziej idealny materiał na elementy konstrukcyjne hot-end silników lotniczych.

W rozwiniętych krajach lotniczych, takich jak Europa i Stany Zjednoczone, SiCf/SiC jest praktycznie stosowany i produkowany masowo w statycznych częściach silników lotniczych, w tym M53-2, M88, M88-2, F100, F119, EJ200, F414, F110, F136 i innych modelach. Silniki samolotów wojskowych/cywilnych.

Chociaż mój kraj wymienił badania nad technologią zastosowań kompozytu z matrycą ceramiczną z węglika krzemu (CMC-SiC) jako kluczowy obszar rozwoju od lat 80. XX wieku, w styczniu 2022 r. silnik lotniczy zbudowany przez NPU przy użyciu krajowych nowych materiałów kompozytowych z matrycą ceramiczną Integral Turbina Disc pomyślnie ukończył pierwszą weryfikację testu lotu. Jest to również pierwszy krajowy test lotu platformy zespołu wirnika z kompozytu z matrycą ceramiczną, co oznacza kolejny ważny przełom w kluczowej technologii naszego silnika lotniczego. Jednak jak dotąd zakres zastosowań i łączny czas oceny CMC-SiC w moim kraju są bardzo ograniczone i istnieje ogromna luka w stosunku do zagranicznych badań nad zastosowaniami inżynieryjnymi.

Wraz z szybkim rozwojem nowoczesnej technologii radiowej i systemów wykrywania radarowego, technologia stealth, jako skuteczny sposób na poprawę przeżywalności i zdolności penetracji systemów uzbrojenia, zwłaszcza zdolności do głębokiego uderzenia, stała się gorącym tematem wśród potęg militarnych konkurujących o uzbrojenie high-tech. Wykorzystanie technologii materiałów stealth jest obecnie najskuteczniejszym i najbardziej wykonalnym sposobem radarowej stealth. W przypadku materiałów stealth stosowanych w szczególnych środowiskach, oprócz zmniejszenia podstawowych warunków, takich jak wykrywalność, materiały muszą również mieć dobrą stabilność termiczną i odporność na korozję. Na przykład dysze ogonowe silnika, krawędzie skrzydeł i inne części szybkich myśliwców stealth będą musiały zmierzyć się z testem utleniania w wysokiej temperaturze i powtarzającymi się uderzeniami w wysokiej i niskiej temperaturze. SiCf/SiC ma nie tylko doskonałe właściwości mechaniczne, odporność na utlenianie i dłuższą żywotność w wysokiej temperaturze, ale także ma dobre właściwości pochłaniania fal, co spełnia wymagania dotyczące części broni i wyposażenia o wysokiej temperaturze, takich jak powierzchnia samolotów naddźwiękowych, dysze ogonowe silnika i nosy pocisków manewrujących. Wymagania stealth, szerokie perspektywy zastosowania.

Wraz ze wzrostem nacisku na kwestie bezpieczeństwa reaktorów, niemal wszystkie elementy spalania ze stopu cyrkonu stosowane w obecnych komercyjnych elektrowniach jądrowych z reaktorami wodnymi zostały ponownie rozważone, a nowe elementy paliwowe wykorzystujące węglik krzemu jako materiały okładzinowe lub matrycowe stały się nowym obszarem zainteresowania badawczego. Elementy paliwowe są podstawowymi komponentami reaktorów jądrowych, a ich wskaźniki wydajności bezpośrednio wpływają na bezpieczeństwo i ekonomię reaktora. SiCf ma doskonałe właściwości, takie jak wytrzymałość w wysokiej temperaturze, wysoka twardość, dobra odporność na zużycie, dobra odporność na szok termiczny, wysoka przewodność cieplna, silna odporność na utlenianie i odporność na korozję chemiczną, a także mały przekrój czynny absorpcji neutronów, niska aktywność wrodzona i ciepło rozpadu sprawiają, że nadaje się do reaktorów jądrowych i ma dobre perspektywy zastosowania w reaktorach na lekką wodę, reaktorach na stopione sole i szybkich reaktorach chłodzonych gazem.

W ciągu ostatnich 40 lat od momentu powstania włókno SiC rozwijało się szybko. Zgodnie z różnym składem i strukturą włókien można je podzielić na włókna pierwszej, drugiej i trzeciej generacji. Pierwsza generacja to włókno z węglika krzemu o wysokiej zawartości tlenu, a druga generacja to włókno z węglika krzemu o niskiej zawartości tlenu i wysokiej zawartości węgla, trzecia generacja to włókno z węglika krzemu o bliskim stechiometrycznym stosunku. W procesie rozwoju włókna SiC kraje takie jak Japonia i Stany Zjednoczone zawsze przejmowały inicjatywę w konkurencji.

W latach 80. XX wieku w naszym kraju zdano sobie sprawę, że włókna z węglika krzemu, jako nowy materiał, mogą znaleźć zastosowanie w przemyśle lotniczym i kosmicznym. Dlatego też podjęto wczesne działania, zaplanowano je z wyprzedzeniem i specjalnie zorganizowano odpowiednich naukowców z Narodowego Uniwersytetu Technologii Obronnych w celu utworzenia grupy badawczej zajmującej się włóknami SiC.

Po roku 2000 w moim kraju rozpoczęto badania nad zastosowaniem pierwszej generacji włókien SiC i rozpoczęto żmudne badania oraz rozwój przemysłowy niezależnie opracowanych włókien SiC.

W 2005 roku, dzięki promocji prowincji Jiangsu i samorządu miejskiego Suzhou, wdrożono przemysłowy rozwój włókien z węglika krzemu odpornych na wysokie temperatury, a także utworzono silny zespół badawczy. Dzięki ciężkiej pracy i niezależnym badaniom i rozwojowi, kluczowy sprzęt rdzenia został wykonany samodzielnie i stał się Jest to pierwsza krajowa firma, która osiągnęła ciągłą produkcję włókien z węglika krzemu, przełamując długotrwałą blokadę techniczną i monopol produkcyjny Japonii, Stanów Zjednoczonych i innych krajów w zakresie tego typu materiałów wrażliwych dla wojska.

W ciągu ostatnich 10 lat rozwój silników lotniczych wyraźnie wskazał zapotrzebowanie na ciągłe włókna SiC odporne na wysokie temperatury, co bezpośrednio przyczyniło się do rozwoju technologii inżynieryjnej dla włókien SiC drugiej i trzeciej generacji.

W odpowiedzi na niedociągnięcia wysokiej zawartości tlenu w włóknach SiC pierwszej generacji, która zapobiega przekroczeniu temperatury długotrwałego użytkowania w powietrzu 1050°C, Narodowy Uniwersytet Technologii Obronnych rozpoczął kluczowe badania technologiczne nad włóknami SiC drugiej generacji. Utrzymując reaktywność polikarbosilanu, poprzez optymalizację składu i struktury polikarbosilanu, dokonaliśmy przełomu w syntezie polikarbosilanu o wysokiej temperaturze mięknienia z dobrą przędzalnością i technologią obróbki beztlenowej bez topnienia, a także zoptymalizowaliśmy procesy wstępnego wypalania i końcowego wypalania. Opanowaliśmy technologię ciągłego przygotowania inżynieryjnego włókien SiC drugiej generacji z niezależnymi prawami własności intelektualnej.

W okresie „Dwunastego Planu Pięcioletniego” dostarczono łącznie ponad 600 kilogramów ciągłych włókien i tkanin SiC drugiej generacji do AVIC, Aerospace Science and Technology Group i innych jednostek użytkowych, co początkowo zaspokajało pilne zapotrzebowanie na ciągłe włókna SiC drugiej generacji do zaawansowanych silników lotniczych i innych zastosowań.

Dotychczas w dziedzinie włókien ciągłych SiC poczyniono duże postępy pod względem typów produktów, wydajności i wydajności, a początkowo udało się przełamać szereg blokad zagranicznych, które nałożyły embargo na technologię przygotowania, sprzęt procesowy i produkty z włókien ciągłych SiC.

Aby jeszcze bardziej poprawić wydajność krajowych włókien SiC w wysokich temperaturach, National University of Defense Technology rozpoczął prace nad włóknami SiC trzeciej generacji. Włókna trzeciej generacji opracowane przez National University of Defense Technology obejmują głównie KD-S i KD-SA. Pierwsze z nich są stosowane głównie w dziedzinie zaawansowanej energii jądrowej, a drugie głównie w materiałach konstrukcyjnych o wysokiej temperaturze. Włókno KD-S wykorzystuje metodę hydrokalcynacji do usuwania węgla, ma skład zbliżony do stechiometrycznego i wytrzymałość na rozciąganie większą niż 2,5 GPa. Włókno KD-SA przyjmuje ścieżkę przygotowania podobną do włókna Tyranno SA. Prekursor polialuminokarbosilan jest przygotowywany z polikarbosilanu o niskiej masie cząsteczkowej i acetyloacetonianu glinu lub chlorku glinu. Włókno KD-SA poczyniło duże postępy i ma dużą wytrzymałość. Większy niż 2,2 GPa, moduł rozciągania osiąga 380 GPa. Ponadto, w celu spełnienia zapotrzebowania na materiały konstrukcyjne stealth odporne na wysokie temperatury, Narodowy Uniwersytet Technologii Obronnych przeprowadził również badania nad włóknami absorbującymi.

W ostatnich latach wiele jednostek zaczęło angażować się w badania i produkcję włókien z węglika krzemu. Zbudowały one również pilotażową platformę sprzętu badawczego dla ciągłych włókien SiC i opracowały włókna SiC drugiej generacji przy użyciu technologii sieciowania napromieniowaniem wiązką elektronów. Metodę redukcji H2 wykorzystano do zbadania przygotowania włókien o stosunkach zbliżonych do stechiometrycznych przy użyciu ścieżki przygotowania podobnej do japońskiego włókna Hi-Nicalon S. Wytworzono próbki ciągłych włókien SiC. W tym samym czasie ścieżka podobna do Tyranno SA została również wykorzystana do przygotowania włókien Si-Al-C. wstępna eksploracja.

Napędzane społecznymi i ekonomicznymi korzyściami ciągłych włókien SiC, firmy zaczęły również włączać się w rozwój ciągłych włókien SiC i opracowywać ciągłe produkty z włókien SiC. Obecnie osiągnięto produkcję ciągłych włókien SiC pierwszej generacji na poziomie ton.

Wraz z przyspieszonym rozwojem modernizacji obrony narodowej, siły militarnej i technologii uzbrojenia, włókna o wysokiej wydajności rozwijały się szybko w różnych dziedzinach. Jako przedstawiciel włókien o wysokiej wydajności, włókno z węglika krzemu ma doskonałą odporność na wysokie temperatury, odporność na korozję, absorpcję fal zyskało powszechną uwagę.

Chociaż przez dziesięciolecia byliśmy blokowani przez technologię, na szczęście nigdy nie poddaliśmy się w nadrabianiu zaległości. Obecnie niektóre poziomy technologii przygotowania włókien z węglika krzemu w moim kraju są zbliżone do międzynarodowego poziomu zaawansowanego, ale ogólnie rzecz biorąc, nadal istnieje pewna luka między moim krajem a krajami zagranicznymi, szczególnie w realizacji produkcji przemysłowej. Włókno z węglika krzemu jest nowym krajowym materiałem rezerwy strategicznej, a kraj zwiększa rozmieszczenie i inwestycje. Uważa się, że w niedalekiej przyszłości nasz kraj stopniowo opanuje podstawową technologię włókien z węglika krzemu i zrealizuje przemysłową produkcję włókien z węglika krzemu.