Nova fibra de carboneto de silício de alto desempenho

A fibra de carboneto de silício possui as vantagens de resistência à oxidação em altas temperaturas, alta dureza, alta resistência, alta estabilidade térmica, resistência à corrosão e baixa densidade. É um dos materiais aeroespaciais mais ideais para resistência a altas temperaturas, reforço e discrição. Além disso, possui pequena seção transversal de absorção de nêutrons, o que lhe confere amplas perspectivas de aplicação na aviação, aeroespacial, energia nuclear e outros setores.

Uma alta relação empuxo-peso é o objetivo que os motores aeroespaciais avançados buscam constantemente. À medida que a relação empuxo-peso do motor aumenta, a temperatura de entrada da turbina continua a aumentar, e o sistema de materiais de liga de alta temperatura existente tem dificuldade em atender aos requisitos de motores aeroespaciais avançados. Por exemplo, a temperatura de entrada da turbina dos motores existentes com uma relação empuxo-peso de 10 atingiu 1500°C, e a temperatura média de entrada da turbina dos motores com uma relação empuxo-peso de 12 a 15 excederá 1800°C, o que está muito além da temperatura de uso de ligas de alta temperatura e compostos intermetálicos. Atualmente, a temperatura de trabalho dos materiais de liga de alta temperatura à base de níquel com a melhor resistência ao calor pode atingir apenas cerca de 1100°C. A temperatura de operação do SiCf/SiC pode ser aumentada para 1650°C, sendo considerado o material de componente estrutural de ponta quente mais ideal para motores aeroespaciais.

Em países com aviação desenvolvida, como Europa e Estados Unidos, o SiCf/SiC tem sido usado na prática e produzido em massa em peças estáticas de motores aeronáuticos, incluindo M53-2, M88, M88-2, F100, F119, EJ200, F414, F110, F136 e outros modelos. Motores de aeronaves militares/civis.

Embora meu país tenha listado a pesquisa tecnológica de aplicação de compósitos de matriz cerâmica de carboneto de silício (CMC-SiC) como uma área-chave de desenvolvimento desde a década de 1980, em janeiro de 2022, um motor aeroespacial construído pela NPU utilizando novos materiais compósitos de matriz cerâmica nacionais, o disco de turbina integral, concluiu com sucesso seu primeiro teste de verificação em voo. Este também é o primeiro teste de voo doméstico de uma plataforma de conjunto de rotores de compósitos de matriz cerâmica, marcando outro importante avanço na tecnologia-chave de nossos motores aeronáuticos. No entanto, até o momento, o escopo de aplicação e o tempo acumulado de avaliação do CMC-SiC em meu país são muito limitados, e há uma enorme lacuna em relação à pesquisa de aplicação em engenharia estrangeira.

Com o rápido desenvolvimento da moderna tecnologia de rádio e dos sistemas de detecção por radar, a tecnologia stealth, como meio eficaz para melhorar a capacidade de sobrevivência e penetração de sistemas de armas, especialmente as capacidades de ataque profundo, tornou-se um tema quente entre as potências militares que competem por armamentos de alta tecnologia. O uso da tecnologia de materiais stealth é atualmente o meio mais eficaz e viável de stealth por radar. Para materiais stealth usados em ambientes especiais, além de reduzir as condições básicas como a detectabilidade, os materiais também precisam ter boa estabilidade térmica e resistência à corrosão. Por exemplo, os bicos de cauda do motor, bordas das asas e outras partes de caças stealth de alta velocidade enfrentarão o teste de oxidação em alta temperatura e impactos repetidos de alta e baixa temperatura. O SiCf/SiC não só possui excelentes propriedades mecânicas, resistência à oxidação e maior vida útil em altas temperaturas, mas também possui boas propriedades de absorção de ondas, o que atende aos requisitos de peças de alta temperatura de armas e equipamentos, como a superfície de aeronaves supersônicas, bicos de cauda do motor e narizes de mísseis de cruzeiro. Requisitos stealth, amplas perspectivas de aplicação.

Com a crescente ênfase em questões de segurança de reatores, quase todos os elementos de combustão de liga de zircônio usados em usinas nucleares comerciais de reatores de água foram reconsiderados, e novos elementos combustíveis usando carboneto de silício como materiais de revestimento ou matriz tornaram-se um novo foco de pesquisa. Os elementos combustíveis são os componentes principais dos reatores nucleares, e seus indicadores de desempenho afetam diretamente a segurança e a economia do reator. O SiCf possui excelentes propriedades, como alta resistência à temperatura, alta dureza, boa resistência ao desgaste, boa resistência ao choque térmico, alta condutividade térmica, forte resistência à oxidação e resistência à corrosão química, e sua pequena seção transversal de absorção de nêutrons, baixa atividade inerente e calor de decaimento o tornam adequado para o campo de reatores nucleares, e tem boas perspectivas de aplicação em reatores de água leve, reatores de sal fundido e reatores rápidos resfriados a gás.

Nos últimos 40 anos, desde o seu surgimento, a fibra de SiC desenvolveu-se rapidamente. De acordo com a sua composição e estrutura diferenciadas, pode ser dividida em fibras de primeira, segunda e terceira geração. A primeira geração é composta por fibras de carboneto de silício com alto teor de oxigênio e carbono, a segunda geração é composta por fibras de carboneto de silício com baixo teor de oxigênio e alto teor de carbono, e a terceira geração é composta por fibras de carboneto de silício com razão quase estequiométrica. No processo de desenvolvimento da fibra de SiC, países como Japão e Estados Unidos sempre tomaram a iniciativa na competição.

Na década de 1980, nosso país percebeu que a fibra de carboneto de silício, como um novo material, tinha valor potencial de aplicação no campo aeroespacial, então começou cedo, planejou com antecedência e organizou especialmente pesquisadores científicos relevantes da Universidade Nacional de Tecnologia de Defesa para estabelecer um grupo de pesquisa de fibra de SiC.

Depois de 2000, meu país entrou na fase de pesquisa de aplicação da primeira geração de fibras de SiC e começou uma árdua pesquisa e desenvolvimento industrial de fibras de SiC desenvolvidas de forma independente.

Em 2005, com o apoio da Província de Jiangsu e do Governo Municipal de Suzhou, implementou-se o desenvolvimento industrial de fibras de carboneto de silício contínuas resistentes a altas temperaturas, e formou-se uma forte equipe de pesquisa científica. Através de trabalho árduo e pesquisa e desenvolvimento independentes, o equipamento principal foi fabricado internamente, tornando-se a primeira empresa nacional a atingir a produção contínua de fibras de carboneto de silício, rompendo o antigo bloqueio técnico e o monopólio de produtos do Japão, Estados Unidos e outros países sobre esse tipo de material sensível ao uso militar.

Nos últimos 10 anos, o desenvolvimento de motores aeroespaciais apresentou demandas claras por fibras de SiC contínuas resistentes a altas temperaturas, o que promoveu diretamente o desenvolvimento de tecnologia de engenharia para fibras de SiC de segunda e terceira geração.

Em resposta às deficiências do alto teor de oxigênio da fibra de SiC de primeira geração, que impede que a temperatura do ar em uso a longo prazo exceda 1050 °C, a Universidade Nacional de Tecnologia de Defesa lançou uma pesquisa tecnológica fundamental sobre a fibra de SiC de segunda geração. Mantendo a reatividade do policarbosilano, otimizando sua composição e estrutura, alcançamos avanços na síntese de policarbosilano de alto ponto de amolecimento com boa fiabilidade e tecnologia de tratamento sem fusão e sem oxigênio, além de otimizar os processos de pré-queima e queima final. Dominamos a tecnologia de preparação de engenharia de fibras de SiC contínuas de segunda geração com direitos de propriedade intelectual independentes.

Durante o período do "Décimo Segundo Plano Quinquenal", um total de mais de 600 quilos de fibras e tecidos de SiC contínuos de segunda geração foram fornecidos à AVIC, ao Grupo de Ciência e Tecnologia Aeroespacial e outras unidades de usuários, que inicialmente atenderam à demanda urgente por fibras de SiC contínuas de segunda geração para motores aeroespaciais avançados e outros.

Até agora, a fibra de SiC contínua fez grande progresso em tipos de produtos, desempenho e produção, e inicialmente rompeu uma série de medidas de bloqueio estrangeiro que impuseram um embargo à tecnologia de preparação, equipamentos de processo e produtos de fibra de SiC contínua.

Para aprimorar ainda mais o desempenho em altas temperaturas das fibras de SiC domésticas, a Universidade Nacional de Tecnologia de Defesa (UNT) lançou o desenvolvimento de fibras de SiC de terceira geração. As fibras de terceira geração desenvolvidas pela UNT incluem principalmente KD-S e KD-SA. A primeira é usada principalmente na área de energia nuclear avançada, enquanto a segunda é usada principalmente em materiais estruturais de alta temperatura. A fibra KD-S utiliza um método de hidrocalcinação para remover carbono, tem uma composição quase estequiométrica e uma resistência à tração superior a 2,5 GPa. A fibra KD-SA adota uma rota de preparação semelhante à fibra Tyranno SA. O precursor polialuminocarbosilano é preparado a partir de policarbosilano de baixo peso molecular e acetilacetonato de alumínio ou cloreto de alumínio. A fibra KD-SA fez grande progresso e possui forte resistência. Superior a 2,2 GPa, o módulo de tração atinge 380 GPa. Além disso, para atender à demanda por materiais estruturais furtivos de alta temperatura, a Universidade Nacional de Tecnologia de Defesa também conduziu pesquisas sobre fibras absorventes.

Nos últimos anos, muitas unidades começaram a se dedicar à pesquisa e à produção de fibras de carboneto de silício. Elas também construíram uma plataforma piloto de equipamentos de pesquisa para fibras de SiC contínuas e desenvolveram fibras de SiC de segunda geração utilizando a tecnologia de reticulação por irradiação por feixe de elétrons. O método de redução de H₂ foi utilizado para estudar a preparação de fibras com razões quase estequiométricas, utilizando uma rota de preparação semelhante à fibra Hi-Nicalon S do Japão. Amostras de fibras de SiC contínuas foram produzidas. Ao mesmo tempo, uma rota semelhante à da Tyranno SA também foi utilizada para preparar fibras de Si-Al-C. Exploração preliminar.

Impulsionadas pelos benefícios sociais e econômicos das fibras de SiC contínuas, as empresas também começaram a se unir ao desenvolvimento de fibras de SiC contínuas e a desenvolver produtos de fibra de SiC contínua. Atualmente, a produção de fibras de SiC contínuas de primeira geração, em escala de toneladas, já foi alcançada.

Com o desenvolvimento acelerado da modernização da defesa nacional, do poder militar e da tecnologia de armamento, as fibras de alto desempenho se desenvolveram rapidamente em diversos campos. Como representante das fibras de alto desempenho, a fibra de carboneto de silício possui excelente resistência a altas temperaturas, resistência à corrosão e absorção de ondas, que tem recebido ampla atenção.

Embora tenhamos sido bloqueados pela tecnologia por décadas, felizmente nunca desistimos de nos atualizar. Atualmente, alguns níveis tecnológicos de preparação de fibras de carboneto de silício do meu país estão próximos do nível avançado internacional, mas, no geral, ainda há uma certa lacuna entre meu país e países estrangeiros, especialmente na implementação da produção industrializada. A fibra de carboneto de silício é um novo material de reserva estratégica nacional, e o país está aumentando a implantação e o investimento. Acredita-se que, em um futuro próximo, nosso país dominará gradualmente a tecnologia central da fibra de carboneto de silício e realizará a produção industrial de fibra de carboneto de silício.