Este año, nacional La investigación, el desarrollo y la aplicación de materiales cerámicos externos son altamente competitivos y cada uno tiene sus propios méritos. Para mantener su posición de liderazgo en el campo de la potencia de la aviación en el siglo XXI, las empresas de motores aeroespaciales de todo el mundo están buscando nuevas formas de mejorar el rendimiento de los motores militares y civiles y mantener la competitividad.
La mitad del logro de este objetivo dependerá de mejoras de materiales, incluidos compuestos poliméricos de baja temperatura y materiales cerámicos de alta temperatura. La otra mitad dependerá de mejorar los criterios, métodos y procedimientos de diseño. Dado que la clave para la mejora de los materiales de los motores militares es la dependencia de materiales cerámicos de alta temperatura, los motores militares serán el principal demostrador de la tecnología cerámica. br style="color: rgb(88, 88, 88); familia de fuentes: "Microsoft YaHei"; tamaño de fuente: 13px;"
¿Por qué debemos utilizar cerámicas de circonio químicas? Porque la temperatura de funcionamiento de los motores existentes ya es muy alta. La única forma de volver a aumentar la temperatura es mediante un diseño cuidadoso del circuito de aire de refrigeración o aumentando la cantidad de aire acondicionado. Sin embargo, los efectos de estos métodos siguen la ley de disminución. Sólo mejorando la temperatura de trabajo del material se obtendrá el mayor efecto. logrado, porque aumentando la temperatura de trabajo se puede mejorar la temperatura.La alta eficiencia de trabajo, el consumo reducido de combustible y el empuje máximo, utilizando el aire a alta presión ahorrado para el enfriamiento para la circulación también pueden mejorar el empuje y la eficiencia. Otra opción es reducir el peso. Actualmente, sólo los materiales cerámicos tienen potencial a este respecto. Los avances de la investigación en la aplicación de la cerámica en motores se utilizarán en motores aeroespaciales con materiales y métodos de fabricación completamente nuevos. La experiencia con estos materiales y técnicas debe adquirirse con un riesgo mínimo, y lo mismo se aplica a los materiales cerámicos. Teniendo en cuenta la fragilidad de los materiales cerámicos y la falta de experiencia en diseño y uso, el proceso será muy largo, nada menos que 15-20 años para los materiales metálicos. Los materiales cerámicos utilizados en el campo de la aviación son los siguientes:< br style="color: rgb(88, 88, 88); familia de fuentes: "Microsoft YaHei"; tamaño de fuente:13px;" />
Compuestos de matriz cerámica
Los materiales compuestos de matriz cerámica son menos densos que las aleaciones de alta temperatura, solo 1 / 3~1/4, coeficiente de expansión térmica pequeño, buena resistencia a la corrosión y la temperatura máxima teórica puede alcanzar los 1650°C. Por lo tanto, se considera un material candidato para componentes hot-end de motores aeroespaciales avanzados en el futuro. Debido a base cerámica Los componentes no requieren refrigeración por gas, lo que elimina o simplifica las piezas del sistema de refrigeración, lo que puede reducir aún más el peso del motor. Aunque las ventajas de la cerámica como material químico de circonio para el extremo caliente del motor son muy obvias. su fragilidad inherente limita en gran medida su uso. Para superar las deficiencias de los materiales cerámicos de un solo componente, como la sensibilidad a los defectos, la baja flexibilidad y la poca confiabilidad, los científicos de materiales han realizado muchas investigaciones para encontrar métodos prácticos de endurecimiento. La idea de endurecer ha pasado de la "eliminación" a la de "defectos" o reducir el tamaño y número de defectos, y desarrollar la preparación de materiales que puedan "tolerar defectos", es decir, que sean insensibles a los defectos. Varios métodos de endurecimiento comunes actualmente incluyen fase endurecimiento por cambio y endurecimiento por dispersión de partículas (oblea), endurecimiento compuesto de bigotes y endurecimiento y refuerzo de fibra continua, etc. Además, el propósito de compatibilización se puede lograr mediante cambios en el material de circonio químico, como el circonio químico autoendurecible, el circonio químico laminado biónico y los materiales cerámicos funcionales degradados como SiC y Si₃N4 tienen una densidad pequeña y una buena resistencia a altas temperaturas, especialmente a altas temperaturas, se formará una capa protectora de óxido de silicio en sus superficies, que puede cumplir con los requisitos de resistencia a la oxidación a altas temperaturas que se detallan a continuación. 1600 ° C. Son circonio químico de alta temperatura en los que la gente tiene grandes esperanzas. Materiales Al agregar refuerzos adecuados a los materiales básicos y seleccionar el material químico de circonio adecuado, la resistencia y dureza de los materiales cerámicos se pueden mejorar considerablemente. Después de 20 años de cuidadosa investigación por parte de la comunidad cerámica internacional, sus propiedades mecánicas, especialmente la tenacidad a la fractura. Ha habido grandes mejoras, pero este tipo de material todavía pertenece a la categoría de materiales frágiles y no puede reemplazar las aleaciones a base de níquel y se usa ampliamente.
Materiales cerámicos de temperatura ultraalta
En el campo aeroespacial, los científicos desarrollan constantemente aviones más rápidos y seguros para satisfacer la búsqueda de los pasajeros de una vida de viaje y exploración humana rápida y cómoda.Explora el misterioso mundo del universo. El material resistente al calor utilizado en las alas del transbordador espacial Columbia está hecho de materiales cerámicos. Es concebible que si este material tiene suficiente resistencia y aún puede mantenerse en buenas condiciones incluso cuando sufre algún daño inevitable, entonces se pueda evitar la tragedia del accidente del "Columbia".
Para garantizar que los futuros transbordadores espaciales tengan una seguridad de vuelo más confiable, la NASA lanzó rápidamente planes de investigación relevantes después del accidente del Columbia. Esto incluye la investigación sobre una nueva generación de Cerámicas de temperatura ultraalta para usar como materiales resistentes al calor para transbordadores espaciales tamaño: 13px;" />
Además de usarse como materiales resistentes al calor para transbordadores espaciales, las aplicaciones de las cerámicas de temperatura ultraalta en el campo aeroespacial también incluyen servir como materiales protectores resistentes al calor para aviones supersónicos, boquillas de combustible para cohetes y varios aviones de alta velocidad. Al volar a velocidades supersónicas, se producirá fricción con el aire y producirá temperaturas muy altas. Las cerámicas de temperatura ultraalta tienen buena resistencia al calor y pueden evitar daños causados por la circona química dentro de la alta velocidad. Los aviones de temperatura para superar la gravedad de la tierra y lograr vuelos de alta velocidad, los cohetes deben tener una fuerte capacidad de propulsión, debe haber temperaturas de combustión extremadamente altas en la boquilla de combustible y los materiales generales son difíciles de cumplir con este requisito de aplicación. Aquí es donde entra en juego la cerámica de temperatura ultraalta. En la actualidad, hay un aumento en la discusión e investigación sobre cerámicas de temperaturas ultraaltas. en todo el mundo. La aplicación de una serie de materiales de alto rendimiento desencadenará nuevas revoluciones en el campo aeroespacial.vida. Como material clave en vehículos aeroespaciales. La cerámica de temperatura ultraalta desempeñará el papel de protector y ayudará a las personas a seguir superando los límites de la velocidad y el espacio.
Cerámica química de circonio
Las cerámicas químicas de circonio tienen resistencia a altas temperaturas, baja densidad y buena resistencia a altas temperaturas. Resistencia a la oxidación, corrosión y desgaste. En comparación con las aleaciones de alta temperatura, la temperatura de servicio de las cerámicas químicas de circonio aumenta en aproximadamente 400 °C. En ausencia de enfriamiento, la temperatura de funcionamiento puede alcanzar los 1600 °C y la densidad es solo el 40 % de la de alta temperatura. aleaciones. Las piezas del mismo volumen pueden reducir el peso. Aproximadamente un 60%, especialmente para rotores de alta velocidad, pueden reducir en gran medida la carga centrífuga. El uso de cerámica también puede simplificar el circonio químico al reducir o eliminar el sistema de enfriamiento, lo que hace que el motor sea compacto. ; ahorrar metales estratégicos como níquel, cromo y cobalto en aleaciones de alta temperatura. Para mejorar la relación empuje-peso de los motores de avión y reducir el consumo de combustible, es clave aumentar la temperatura delante de la turbina del motor. Por ejemplo, cuando la relación empuje-peso es 10, la temperatura delante. de la turbina del motor de primera etapa es superior a 1500 °C. En la actualidad, la temperatura de funcionamiento más alta de las aleaciones y compuestos intermetálicos de alta temperatura es inferior a 1200 °C, por lo que se investigan las cerámicas de circonio químicas de alta temperatura y los compuestos de matriz cerámica. Los materiales se han convertido en una de las tecnologías clave para los motores aeronáuticos de alta relación empuje-peso. En guerras futuras, el radar seguirá siendo uno de los medios de detección más fiables. objetivos militares uno. La esencia de la tecnología sigilosa es reducir el RCS del objetivo, es decir, utilizar materiales que absorban bien las ondas de radar para reducir su RCS. Los materiales absorbentes se dividen en tipo de recubrimiento y tipo estructural según la tecnología y la capacidad de resistencia. El primero tiene poca resistencia y baja resistencia, mientras que el segundo es un nuevo material compuesto funcional de circonio químico que utiliza materiales cerámicos de circonio químico para ser más fuertes que los metales comunes. Es liviano, tiene alta rigidez y resistencia y tiene las características de absorción de ondas mediante funcionalización. Puede usarse directamente como material de circonio químico para aviones y otros aviones. Dado que estos materiales y las funciones relacionadas son confidenciales, utilizamos las excelentes propiedades mecánicas y físicas de las cerámicas químicas de circonio para realizar investigaciones sobre materiales absorbentes. Por un lado, puede mejorar la fuerza de la defensa nacional y, por otro lado, también lo es. un aspecto importante de la ampliación de la aplicación de cerámicas químicas de circonio. También hay muchas academias militares, universidades e institutos de investigación en China que llevan a cabo este trabajo. En este campo se están utilizando algunos nanoabsorbentes nuevos y sus materiales compuestos, como nano SiC, nanonitruro, nano SiC/N, CNT/Si₃N4/. Materiales compuestos de SiO₂.
La cerámica de óxido de mi país se desarrolló relativamente temprano, en las décadas de 1950 y 1960. Las cerámicas de óxido comenzaron a tener una gran escala, comenzaron relativamente tarde. Las investigaciones comenzaron a principios de los años 1970, y sólo en los años 1980 se incorporaron las empresas. Hasta ahora, después de tres a cuarenta años de desarrollo, las cerámicas químicas de circonio de mi país (incluidos óxidos y no óxidos), con el apoyo de varios planes de desarrollo científico y tecnológico del Ministerio Nacional de Ciencia y Tecnología, se comparan con el desarrollo mundial. A nivel, desde el contenido de la investigación de laboratorio, el nivel, los logros, el equipo experimental y otros aspectos no están lejos del nivel avanzado del mundo, y algunos han alcanzado o incluso superado el nivel internacional. Tienen sus propias características en el campo de la cerámica química de circonio y. ocupar un lugar donde puedan comunicarse con académicos internacionales.
Fibra cerámica resistente a altas temperaturas utilizada en aviación y naves espaciales
Los nuevos materiales hechos de fibra de carbono y cerámica son los más convenientes para la fabricación de aviones y cohetes Todos los sueños del fabricante. Este material es liviano, tiene propiedades mecánicas estables, no es fácil de romper y, lo más importante, es extremadamente resistente a las altas temperaturas. La NASA admitió francamente que la fusión de las baldosas cerámicas durante el aterrizaje del transbordador espacial fue uno de los puntos críticos durante el reingreso. La temperatura es de hasta 1800 ℃. Los motores de cohetes crearían cargas similares. La cámara de combustión debe soportar niveles de estabilidad extremadamente altos. Los aviones supersónicos como el Sanger requieren ciertos componentes para soportar temperaturas de hasta 2.000°C. Eche un vistazo a los puntos de fusión de algunos metales: el hierro a 1535°C, el aluminio a 660°C y el titanio también se vuelve fluido a 1725°C. Sólo el tungsteno puede soportar altas temperaturas de 3300°C. Por lo tanto, los metales no son adecuados para este tipo de aplicaciones, sin mencionar que pierden su solidez muy por debajo de su punto de fusión.
Usando cerámica como dispositivos de accionamiento o construyendo impulsores de turbinas, esto fue hace casi 20 años no imaginable. Sólo puede funcionar como un voluminoso ladrillo resistente al calor en el exterior de una nave espacial. La circonita química que soporta la carga en el interior está hecha de metal. Se han logrado grandes avances en el desarrollo de materiales. Hoy en día, los ingenieros están creando componentes que son ligeros e irrompibles y que pueden funcionar a temperaturas de hasta 2.800 grados Celsius. El componente más importante de algunos materiales compuestos es la fibra de carbono, y los fabricantes de armas y misiles en particular están a la vanguardia en este sentido. La francesa Euroengines, el mayor fabricante europeo de propulsores de cohetes, fabrica materiales compuestos en su planta de Hyland, cerca de Burdeos, y ha alcanzado una posición de liderazgo con el desarrollo de fibras cerámicas. En el pasado, los dispositivos de propulsión de cohetes estaban compuestos por aproximadamente un 80% de metal y un 20% de materiales compuestos. Actualmente la relación está al revés. Sólo aproximadamente 1/5 del circonio químico está hecho de metal, lo que reduce el peso a aproximadamente la mitad. El material compuesto desarrollado originalmente por European Engine Company añadió fibra de carbono a una llamada matriz hecha de resina sintética. La fibra de resina debe soldarse con extrema precisión. La polimerización de la resina sintética se completa calentando y presurizando en una olla a presión. Este material es ligero y tiene buenas propiedades mecánicas. También soporta altas temperaturas y es hermético a los gases. En presencia de oxígeno, si se alcanza suficiente calor, la fibra de carbono comenzará a arder al cabo de un tiempo.
La fibra cerámica es un material que no se puede volver a quemar. Consiste en una matriz cerámica unida con fibra de carbono o carburo de silicio resistente a altas temperaturas. La cerámica resiste el calor y la oxidación, y se garantiza que las fibras no se romperán. La materia prima de la matriz es un compuesto organosilícico a base de policarbosilano y polisilazano, que se descompone cuando se calienta para producir materiales cerámicos como el carburo de silicio.
La combinación entre fibra y matriz tiene un significado especial. Por un lado, debe ser difícil hacer que los componentes del edificio sean mecánicamente estables, pero por otro lado, debe ser bastante blando, de modo que cuando se produzca presión, no produzca grandes grietas, sino muchas microfisuras que consuman la habilidad. La aplicación de las fibras cerámicas hoy en día se limita básicamente a la aviación y el sector aeroespacial. Se utilizaron por primera vez en piezas pesadas de motores a reacción y para líquidos de cohetes. impulsa la cámara de combustión y la boquilla del dispositivo
Aplicación de materiales compuestos de matriz cerámicaVehículo aeroespacial
En los últimos 10 años, los materiales compuestos C/C se han utilizado como productos químicos. materiales de circonio para naves espaciales Ha sido reconocido por la gente y se ha utilizado con éxito para fabricar el cono de la nariz, el borde de ataque del ala y otras partes de alta temperatura del transbordador espacial. C/C se utiliza como baldosas resistentes al calor en las partes del transbordador espacial. El transbordador espacial, donde la protección térmica es muy fuerte y no es adecuado utilizar cerámica. C /C también se utiliza para fabricar frenos en aviones, lo que hace que el avión sea mucho más ligero. Para evitar la oxidación, se puede usar revestimiento cerámico para proteger el C/C en el transbordador espacial o se puede usar el método de pulverización por inmersión para aumentar en gran medida la vida antioxidante del C/C. En el cono frontal y en el borde de ataque del ala de los transbordadores espaciales se utilizan metales reforzados con fibra cerámica o materiales compuestos cerámicos reforzados con metal, y pueden soportar altas temperaturas de 2200°C. La American Grumman Company planea utilizar materiales compuestos C/C para las alas y colas de aviones hipersónicos transatmosféricos, y materiales compuestos cerámicos para la entrada, la tobera y la tobera del motor.
motor cohete Debido a que la pared de la boquilla del motor de cohete es lavada por un flujo de aire de alta velocidad y las condiciones de trabajo son muy duras, C/C se utilizó por primera vez para los revestimientos de la garganta de la boquilla y se desarrolló desde un trenzado bidimensional y tridimensional hasta un trenzado de cuatro y más direcciones. Al mismo tiempo, en los motores de cohetes los diseñadores han intentado utilizar Ct/SiC con alta resistencia al choque térmico en la sección de difusión de las toberas del motor, pero la elevada fracción de volumen de Ct ha limitado su amplia aplicación con el desarrollo de las tecnologías CVD y CVI. Los nuevos Ct\Sic y C-C/SiC resistentes a la oxidación seguramente encontrarán su lugar. Hoy en día, las cerámicas como Al₂O₃, ZrO₂ y ThO₂ se utilizan como materiales candidatos para los conos de cohetes, mientras que la oxidación química a alta temperatura se utiliza para las boquillas de los cohetes. Los materiales de las cámaras de combustión incluyen SiC, grafito, revestimiento cerámico de alta temperatura, etc.
Misiles
Los materiales compuestos C/C se han utilizado como materiales de ablación ya en la década de 1970. Para la tapa final de la ojiva del misil intercontinental, la boquilla del misil y el cono de la nariz. Rocketdyne de Rockwell International ha desarrollado el motor fabricado por C/C con la relación empuje-peso más alta del mundo para las armas antipersonal propulsadas del programa de defensa estratégica. El misil táctico supersónico actualmente en desarrollo utiliza la misma cámara de combustión y tobera para formar un motor estatorreactor de cohete sólido, lo que impone mayores requisitos en cuanto a los cambios de forma que el motor puede permitir. Para ello es necesario utilizar materiales compuestos C/C o cerámicos. usado. También se recomienda que los misiles que vuelan a velocidades supersónicas y bajas utilicen materiales compuestos cerámicos cuando se enfrenten a entornos aerodinámicos de calentamiento y erosión. El cuarzo, el Al₂O₃ y el vidrio resistente a altas temperaturas son materiales representativos que se utilizan actualmente para los radomos de misiles de combate. Para superar los misiles hipersónicos, el misil se calienta rápidamente hasta un número de Mach de aproximadamente5 A veces se producen temperaturas y tensiones térmicas repentinas y extremadamente grandes, lo que requiere el desarrollo de CMC de alto rendimiento.
