stringtranslate.com

Сверхвысокотемпературный керамический матричный композит

Сверхвысокотемпературные керамические матричные композиты ( UHTCMC ) представляют собой класс огнеупорных керамических матричных композитов (CMC) с температурой плавления, значительно превышающей температуру плавления типичных CMC. [1] Помимо других применений, они являются предметом обширных исследований в области аэрокосмической техники из-за их способности выдерживать экстремальные температуры в течение длительных периодов времени, что является важным свойством в таких приложениях, как системы тепловой защиты (TPS) и сопла ракет . Углерод, армированный углеродным волокном (C/C), сохраняет свою структурную целостность до 2000 °C; [2] однако C/C в основном используется в качестве абляционного материала, предназначенного для целенаправленной эрозии при экстремальных температурах с целью рассеивания энергии. Карбидкремниевые матричные композиты, армированные углеродным волокном ( C/SiC ) и карбидокремниевые матричные композиты, армированные волокном кремния ( SiC/SiC ) считаются материалами многократного использования, поскольку карбид кремния является твердым материалом с низкой эрозией и образует слой кварцевого стекла во время окисления, который предотвращает дальнейшее окисление внутреннего материала. Однако выше определенной температуры (она зависит от условий окружающей среды, парциального давления кислорода) начинается активное окисление матрицы карбида кремния до газообразного монооксида кремния ( SiO (г) ), в результате чего теряется защита от дальнейшего окисления, что приводит материал к неконтролируемой и быстрой эрозии. По этой причине C/SiC и SiC/SiC используются в диапазоне температур от 1200° до 1400 °C.

С одной стороны, КМК являются легкими материалами с высоким отношением прочности к весу даже при высокой температуре, высокой стойкостью к тепловому удару и ударной вязкостью, но страдают от эрозии во время эксплуатации. С другой стороны, объемная керамика, изготовленная из сверхвысокотемпературной керамики (например, ZrB2 , HfB2 или их композитов), является твердым материалом, который показывает низкую эрозию даже выше 2000 °C, но является тяжелым и страдает от катастрофического разрушения и низкой стойкости к тепловому удару по сравнению с КМК. Разрушение легко происходит под действием механических или термомеханических нагрузок из-за трещин, вызванных небольшими дефектами или царапинами. Возможность получения повторно используемых компонентов для аэрокосмической отрасли на основе матрицы UHTC в армированных волокнами композитах все еще изучается.

Европейская комиссия финансировала исследовательский проект C3HARME [3] [4] в рамках конкурса NMP-19-2015 Рамочных программ по исследованиям и технологическому развитию в 2016 году (все еще продолжается) для проектирования, разработки, производства и тестирования нового класса сверхогнеупорных керамических матричных композитов, армированных волокнами карбида кремния и углеродными волокнами, подходящих для применения в суровых условиях аэрокосмической отрасли в качестве возможных материалов для систем тепловой защиты (TPS) с близкой к нулевой абляцией (например, теплозащитный экран ) и для двигателей (например, сопло ракеты). [5] [6] Спрос на многоразовые усовершенствованные материалы с температурной способностью более 2000 °C растет. [7] [8] [9] Недавно были исследованы композиты на основе борида циркония, армированные углеродным волокном, полученные путем инфильтрации суспензии (SI) и спекания. [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20]

Прорывы в исследованиях

Европейская комиссия финансировала исследовательский проект C3HARME в рамках конкурса NMP-19-2015 Рамочных программ по исследованиям и технологическому развитию в 2016 году (все еще продолжается) для проектирования, разработки, производства и тестирования нового класса сверхогнеупорных керамических матричных композитов, армированных волокнами карбида кремния и углеродными волокнами, пригодных для применения в суровых условиях аэрокосмической отрасли. [21]

Ссылки

  1. ^ Марумо, Томоки; Койде, Нориацу; Арай, Ютаро; Нисимура, Тосиюки; Хасэгава, Макото; Иноуэ, Ре (октябрь 2022 г.). «Характеристика армированных углеродным волокном сверхвысокотемпературных композитов с керамической матрицей, изготовленных методом инфильтрации расплава сплава Zr-Ti». Журнал Европейского керамического общества . 42 (13): 5208–5219. doi : 10.1016/j.jeurceramsoc.2022.06.040. S2CID  249838869 . Проверено 12 декабря 2023 г.
  2. ^ Cheng, Tianbao; Zhang, Rubing; Pei, Yongmao; He, Rujie; Fang, Daining; Yang, Yazheng (12 июня 2019 г.). "Изгибные свойства углерод-углеродных композитов при температурах до 2600 °C". Materials Research Express . 6 (8). Bibcode : 2019MRE.....6h5629C. doi : 10.1088/2053-1591/ab23c9. S2CID  181325974. Получено 12 декабря 2023 г.
  3. Ссылки ​ www.c3harme.eu .
  4. ^ Sciti, Diletta; Silvestroni, Laura; Monteverde, Frédéric; Vinci, Antonio; Zoli, Luca (2018-10-17). «Введение в проект H2020 C3HARME – керамические композиты следующего поколения для горения в суровых условиях и космосе». Advances in Applied Ceramics . 117 (sup1): s70–s75. Bibcode : 2018AdApC.117S..70S. doi : 10.1080/17436753.2018.1509822 . ISSN  1743-6753.
  5. ^ Sciti, D.; Zoli, L.; Silvestroni, L.; Cecere, A.; Martino, GD Di; Savino, R. (2016). «Проектирование, изготовление и испытания высокоскоростной кислородно-топливной горелки сопла из волокна C f -ZrB 2 для оценки его потенциала в ракетных двигателях». Materials & Design . 109 : 709–717. doi :10.1016/j.matdes.2016.07.090.
  6. ^ Mungiguerra, Stefano; Di Martino, Giuseppe D.; Savino, Raffaele; Zoli, Luca; Sciti, Diletta; Lagos, Miguel A. (2018-07-08). "Ultra-High-Temperature Ceramic Matrix Composites in Hybrid Rocket Propulsion Environment". Международная конференция по инженерному преобразованию энергии 2018 года . Рестон, Вирджиния: Американский институт аэронавтики и астронавтики. doi :10.2514/6.2018-4694. ISBN 9781624105715.
  7. ^ Sziroczak, D.; Smith, H. (2016). «Обзор вопросов проектирования, характерных для гиперзвуковых летательных аппаратов». Progress in Aerospace Sciences . 84 : 1–28. Bibcode : 2016PrAeS..84....1S. doi : 10.1016/j.paerosci.2016.04.001. hdl : 1826/10119 .
  8. ^ Винчи, Антонио; Золи, Лука; Скити, Дилетта; Уоттс, Джереми; Хилмас, Грег Э.; Фаренхольц, Уильям Г. (апрель 2019 г.). «Механическое поведение армированных углеродным волокном композитов TaC/SiC и ZrC/SiC при температурах до 2100 °C». Журнал Европейского керамического общества . 39 (4): 780–787. doi :10.1016/j.jeurceramsoc.2018.11.017. ISSN  0955-2219. S2CID  139993345.
  9. ^ Мунгигерра, С.; Ди Мартино, Грузия; Сечере, А.; Савино, Р.; Сильвестрони, Л.; Винчи, А.; Золи, Л.; Скити, Д. (апрель 2019 г.). «Определение характеристик сверхвысокотемпературных композитов с керамической матрицей в дуговой аэродинамической трубе». Коррозионная наука . 149 : 18–28. doi :10.1016/j.corsci.2018.12.039. ISSN  0010-938X. S2CID  139421458.
  10. ^ Золи, Л.; Скити, Д. (2017). «Эффективность матрицы ZrB2 –SiC в защите волокон C от окисления в новых материалах UHTCMC». Материалы и дизайн . 113 : 207–213. doi :10.1016/j.matdes.2016.09.104.
  11. ^ Золи, Л.; Винчи, А.; Сильвестрони, Л.; Скити, Д.; Рис, М.; Грассо, С. (2017). «Быстрое искровое плазменное спекание для производства плотных UHTC, армированных неповрежденными углеродными волокнами». Материалы и дизайн . 130 : 1–7. doi :10.1016/j.matdes.2017.05.029.
  12. ^ Галиция, Пьетро; Файлла, Симоне; Золи, Лука; Скити, Дилетта (2018). «Жесткие салями-вдохновленные Cf/ZrB2 UHTCMC, полученные методом электрофоретического осаждения». Журнал Европейского керамического общества . 38 (2): 403–409. doi :10.1016/j.jeurceramsoc.2017.09.047.
  13. ^ Винчи, Антонио; Золи, Лука; Скити, Дилетта; Меландри, Чезаре; Гвиччарди, Стефано (2018). «Понимание механических свойств новых UHTCMC с помощью случайного леса и анализа регрессионного дерева». Материалы и дизайн . 145 : 97–107. doi :10.1016/j.matdes.2018.02.061.
  14. ^ Золи, Л.; Медри, В.; Меландри, К.; Скити, Д. (2015). «Непрерывные волокна SiC-композиты ZrB2». Журнал Европейского керамического общества . 35 (16): 4371–4376. doi :10.1016/j.jeurceramsoc.2015.08.008.
  15. ^ Sciti, D.; Murri, A. Natali; Medri, V.; Zoli, L. (2015). «Непрерывные композиты из волокон C с пористой матрицей ZrB 2 ». Materials & Design . 85 : 127–134. doi :10.1016/j.matdes.2015.06.136.
  16. ^ Скити, Д.; Пиенти, Л.; Мурри, А. Натали; Ланди, Э.; Медри, В.; Золи, Л. (2014). «От хаотичного рубленого к ориентированному непрерывному волокну SiC – композитам ZrB2». Материалы и дизайн . 63 : 464–470. doi :10.1016/j.matdes.2014.06.037.
  17. ^ Vinci, Antonio; Zoli, Luca; Sciti, Diletta (сентябрь 2018 г.). «Влияние содержания SiC на окисление армированных углеродным волокном композитов ZrB2 /SiC при 1500 и 1650 °C на воздухе». Журнал Европейского керамического общества . 38 (11): 3767–3776. doi :10.1016/j.jeurceramsoc.2018.04.064. ISSN  0955-2219. S2CID  139815518.
  18. ^ Файлла, С.; Галиция, П.; Золи, Л.; Винчи, А.; Скити, Д. (март 2019 г.). «Упрочняющий эффект непериодического распределения волокон на энергию распространения трещин композитов UHTC». Журнал сплавов и соединений . 777 : 612–618. doi : 10.1016/j.jallcom.2018.11.043. ISSN  0925-8388. S2CID  139247345.
  19. ^ Галиция, П.; Золи, Л.; Скити, Д. (декабрь 2018 г.). «Влияние остаточного напряжения на накопление термических повреждений и модуль Юнга армированной волокнами сверхвысокотемпературной керамики». Материалы и дизайн . 160 : 803–809. doi : 10.1016/j.matdes.2018.10.019 . ISSN  0264-1275.
  20. ^ Золи, Лука; Винчи, Антонио; Галиция, Пьетро; Меландри, Чезаре; Скити, Дилетта (2018-06-14). «О стойкости к тепловому удару и механических свойствах новых однонаправленных UHTCMC для экстремальных условий». Scientific Reports . 8 (1): 9148. Bibcode :2018NatSR...8.9148Z. doi : 10.1038/s41598-018-27328-x . ISSN  2045-2322. PMC 6002483 . PMID  29904145. 
  21. ^ "C3HARME".