Новое высокопроизводительное волокно – волокно из карбида кремния

Волокно карбида кремния обладает преимуществами стойкости к окислению при высоких температурах, высокой твердости, высокой прочности, высокой термостойкости, коррозионной стойкости и низкой плотности. Это один из самых идеальных аэрокосмических материалов, устойчивых к высоким температурам, армирующих и стелс-материалов. Он также имеет малое сечение поглощения нейтронов, поэтому имеет широкие перспективы применения в авиации, космонавтике, ядерной энергетике и других областях.

Высокая тяга к массе — это цель, к которой постоянно стремятся современные аэрокосмические двигатели. По мере увеличения тяги к массе двигателя температура на входе в турбину продолжает расти, и существующая система материалов из высокотемпературных сплавов с трудом удовлетворяет требованиям современных аэрокосмических двигателей. Например, температура на входе в турбину существующих двигателей с тягой к массе 10 достигла 1500 °C, а средняя температура на входе в турбину двигателей с тягой к массе 12–15 превысит 1800 °C, что намного превышает температуру использования высокотемпературных сплавов и интерметаллических соединений. В настоящее время рабочая температура материалов из высокотемпературных сплавов на основе никеля с наилучшей термостойкостью может достигать только около 1100 °C. Рабочая температура SiCf/SiC может быть увеличена до 1650 °C, и он считается самым идеальным конструкционным материалом для горячего конца аэрокосмических двигателей.

В развитых авиационных странах, таких как Европа и США, SiCf/SiC находит практическое применение и массово производится в статических деталях авиационных двигателей, включая модели M53-2, M88, M88-2, F100, F119, EJ200, F414, F110, F136 и др. Военные/гражданские авиационные двигатели.

Хотя моя страна включила исследования технологий применения композита с керамической матрицей карбида кремния (CMC-SiC) в качестве ключевой области развития с 1980-х годов, а в январе 2022 года аэрокосмический двигатель, построенный NPU с использованием отечественных новых керамических матричных композитных материалов, успешно завершил свою первую проверку летных испытаний. Это также первое отечественное испытание в воздухе платформы сборки ротора из композитного материала с керамической матрицей, что ознаменовало еще один важный прорыв в ключевой технологии нашего авиадвигателя. Однако до сих пор область применения и совокупное время оценки CMC-SiC в моей стране весьма ограничены, и существует огромный разрыв с зарубежными инженерными прикладными исследованиями.

С быстрым развитием современных радиотехнологий и систем радиолокационного обнаружения технология скрытности, как эффективное средство повышения живучести и возможностей проникновения систем вооружения, особенно возможностей глубокого удара, стала горячей темой среди военных держав, конкурирующих за высокотехнологичное вооружение. Использование технологии стелс-материалов в настоящее время является наиболее эффективным и осуществимым средством радиолокационной скрытности. Для стелс-материалов, используемых в особых условиях, в дополнение к снижению основных условий, таких как обнаруживаемость, материалы также должны обладать хорошей термической стабильностью и коррозионной стойкостью. Например, хвостовые сопла двигателей, кромки крыльев и другие части высокоскоростных летающих истребителей-невидимок столкнутся с испытанием высокотемпературного окисления и повторяющимися высоко- и низкотемпературными воздействиями. SiCf/SiC не только обладает превосходными механическими свойствами, стойкостью к окислению и более длительным сроком службы при высоких температурах, но и обладает хорошими волнопоглощающими свойствами, что соответствует требованиям высокотемпературных частей оружия и оборудования, таких как поверхность сверхзвуковых самолетов, хвостовые сопла двигателей и носовые части крылатых ракет. Требования к скрытности, широкие перспективы применения.

С ростом внимания к вопросам безопасности реакторов почти все элементы сгорания из циркониевого сплава, используемые в современных коммерческих атомных электростанциях с водяными реакторами, были пересмотрены, и новые топливные элементы, использующие карбид кремния в качестве материалов оболочки или матрицы, стали новой горячей точкой исследований. Топливные элементы являются основными компонентами ядерных реакторов, и их эксплуатационные показатели напрямую влияют на безопасность и экономичность реактора. SiCf обладает превосходными свойствами, такими как высокая термостойкость, высокая твердость, хорошая износостойкость, хорошая стойкость к тепловому удару, высокая теплопроводность, высокая стойкость к окислению и химическая коррозионная стойкость, а его малое сечение поглощения нейтронов, низкая собственная активность и теплота распада делают его пригодным для области ядерных реакторов и имеют хорошие перспективы применения в легководных реакторах, реакторах на расплавленных солях и быстрых реакторах с газовым охлаждением.

За последние 40 лет с момента своего рождения волокно SiC быстро развивалось. В зависимости от состава и структуры волокна его можно разделить на волокна первого, второго и третьего поколения. Первое поколение — это волокно карбида кремния с высоким содержанием кислорода и углерода, а второе поколение — волокно карбида кремния с низким содержанием кислорода и высоким содержанием углерода, третье поколение — волокно карбида кремния с близким к стехиометрическому соотношением. В процессе разработки волокна SiC такие страны, как Япония и США, всегда брали на себя инициативу в конкурентной борьбе.

В 1980-х годах в нашей стране осознали, что волокно карбида кремния как новый материал имеет потенциальную ценность для применения в аэрокосмической отрасли, поэтому было начато раннее планирование и специально организовано участие соответствующих научных исследователей из Национального университета оборонных технологий для создания исследовательской группы по волокну SiC.

После 2000 года моя страна вступила в стадию прикладных исследований первого поколения волокон SiC и начала напряженные исследования и промышленные разработки независимо разработанных волокон SiC.

В 2005 году при содействии правительства провинции Цзянсу и муниципалитета Сучжоу была реализована промышленная разработка высокотемпературного непрерывного волокна из карбида кремния, и была сформирована сильная научно-исследовательская группа. Благодаря упорному труду и независимым исследованиям и разработкам ключевое основное оборудование было изготовлено самостоятельно и стало Это первая отечественная компания, которая добилась непрерывного производства волокон из карбида кремния, сломав давнюю техническую блокаду и монополию на продукцию Японии, США и других стран на этот тип чувствительных к военным материалам материалов.

За последние 10 лет развитие авиакосмических двигателей выдвинуло четкие требования к непрерывным волокнам SiC, устойчивым к высоким температурам, что напрямую способствовало развитию инженерных технологий для волокон SiC второго и третьего поколений.

В ответ на недостатки волокна SiC первого поколения, такие как высокое содержание кислорода, что не позволяет температуре длительного использования на воздухе превышать 1050°C, Национальный университет оборонных технологий начал ключевые технологические исследования волокна SiC второго поколения. Сохраняя реакционную способность поликарбосилана, оптимизируя состав и структуру поликарбосилана, мы совершили прорыв в синтезе поликарбосилана с высокой температурой размягчения, хорошей прядомостью и технологией обработки без плавления без кислорода, а также оптимизировали процессы предварительного обжига и окончательного обжига. Освоили технологию подготовки инженерного волокна SiC второго поколения с независимыми правами интеллектуальной собственности.

В период «двенадцатой пятилетки» в AVIC, Aerospace Science and Technology Group и другие пользовательские подразделения было поставлено в общей сложности более 600 килограммов непрерывных волокон и тканей SiC второго поколения, что изначально удовлетворяло срочный спрос на непрерывные волокна SiC второго поколения для современных аэрокосмических двигателей и других целей.

На сегодняшний день непрерывное волокно SiC достигло значительного прогресса в плане типов продукции, производительности и объемов производства и изначально прорвало ряд мер иностранной блокады, которые наложили эмбарго на технологию подготовки, технологическое оборудование и продукцию из непрерывного волокна SiC.

Для дальнейшего улучшения высокотемпературных характеристик отечественных волокон SiC Национальный университет оборонных технологий начал разработку волокон SiC третьего поколения. Волокна третьего поколения, разработанные Национальным университетом оборонных технологий, в основном включают KD-S и KD-SA. Первое в основном используется в области передовой ядерной энергетики, а второе в основном используется в высокотемпературных конструкционных материалах. Волокно KD-S использует метод гидрокальцинирования для удаления углерода, имеет почти стехиометрический состав и имеет прочность на разрыв более 2,5 ГПа. Волокно KD-SA использует маршрут приготовления, аналогичный волокну Tyranno SA. Прекурсор полиалюмокарбосилан готовится из низкомолекулярного поликарбосилана и ацетилацетоната алюминия или хлорида алюминия. Волокно KD-SA достигло большого прогресса и имеет высокую прочность. Модуль упругости при растяжении более 2,2 ГПа достигает 380 ГПа. Кроме того, для удовлетворения спроса на высокотемпературные малозаметные конструкционные материалы Национальный университет оборонных технологий также провел исследования поглощающих волокон.

В последние годы многие подразделения начали заниматься исследованиями и производством волокон карбида кремния. Они также построили пилотную платформу исследовательского оборудования для непрерывных волокон SiC и разработали волокна SiC второго поколения с использованием технологии сшивания электронным пучком. Метод восстановления H2 использовался для изучения приготовления волокон с близкими к стехиометрическим соотношениями с использованием маршрута приготовления, аналогичного японскому волокну Hi-Nicalon S. Были получены образцы непрерывных волокон SiC. В то же время маршрут, аналогичный Tyranno SA, также использовался для приготовления волокон Si-Al-C. предварительное исследование.

Движимые социальными и экономическими преимуществами непрерывных волокон SiC, компании также начали присоединяться к разработке непрерывных волокон SiC и разрабатывать продукты из непрерывных волокон SiC. В настоящее время достигнуто производство непрерывных волокон SiC первого поколения на уровне тонн.

С ускоренным развитием модернизации национальной обороны, военной мощи и оружейной техники высокопроизводительные волокна быстро развивались в различных областях. Как представитель высокопроизводительных волокон, волокно из карбида кремния обладает превосходной устойчивостью к высоким температурам, коррозионной стойкостью, поглощением волн, получившим широкое внимание.

Хотя мы были заблокированы технологиями на протяжении десятилетий, к счастью, мы никогда не прекращали наверстывать упущенное. В настоящее время некоторые уровни технологий подготовки волокон карбида кремния в моей стране близки к международному передовому уровню, но в целом между моей страной и зарубежными странами все еще существует определенный разрыв, особенно в реализации промышленного производства. Волокно карбида кремния является новым национальным стратегическим резервным материалом, и страна увеличивает его развертывание и инвестиции. Считается, что в ближайшем будущем наша страна постепенно освоит основную технологию волокон карбида кремния и реализует промышленное производство волокон карбида кремния.