Композит с керамической матрицей для сверхвысоких температур - Ultra high temperature ceramic matrix composite

Композиты с керамической матрицей для сверхвысоких температур (UHTCMC) или же Керамические композиты для сверхвысоких температур (UHTCC) являются классом огнеупорных композиты с керамической матрицей (ОМЦ ), который стремится преодолеть ограничения, связанные с используемыми в настоящее время CMC (C / C и C / SiC) в аэрокосмической сфере как системы тепловой защиты (TPS) и сопла ракет. Армированный углеродным волокном углерод матрица (C / C ) можно использовать при температуре до 3000 ° C, потому что углерод является элементом с самой высокой температурой плавления, однако C / C - абляционные материалы, которые рассеивают энергию и расходуют сами себя. Композиты с матрицей из карбида кремния, армированные углеродным волокном (C / SiC ) и композиты с матрицей из карбида кремния, армированные волокном карбида кремния (SiC / SiC ) считаются материалами многоразового использования, потому что карбид кремния - твердый материал с низкой эрозией и образует кварцевое стекло слой во время окисления, который предотвращает дальнейшее окисление внутреннего материала. К сожалению, выше определенной температуры (это зависит от условий окружающей среды парциального давления кислорода) начинается активное окисление Карбид кремния матрица в газообразный оксид кремния (SiO(грамм)), следовательно, потеря защиты от дальнейшего окисления, что приводит к неконтролируемой и быстрой эрозии материала. По этой причине C / SiC и SiC / SiC используются в диапазоне температур от 1200 до 1400 ° C.

С одной стороны ОМЦ это легкие материалы с высоким отношением прочности к весу даже при высоких температурах, высокой термостойкостью и ударной вязкостью, но страдают от эрозии во время эксплуатации. С другой стороны объемная керамика из UHTC (например, ZrB2, HfB2или их композиты) представляют собой твердые материалы, которые показывают низкую эрозию даже при температуре выше 2000 ° C, но UHTCS тяжелые и страдают катастрофическим разрушением и низкой термостойкостью по сравнению с CMC. Разрушение легко происходит под действием механических или термомеханических нагрузок из-за трещин, вызванных небольшими дефектами или царапинами. Возможность получения многоразовых компонентов для аэрокосмической отрасли на основе матрицы UHTC в композитах, армированных волокном, все еще исследуется.

Европейская комиссия профинансировала исследовательский проект C3HARME,[1][2] в рамках программы NMP-19-2015 Рамочных программ исследований и технологических разработок на 2016 год (все еще продолжается) для проектирования, разработки, производства и испытаний нового класса сверхгнеупорных композитов с керамической матрицей, армированных волокнами карбида кремния и углеродными волокнами подходит для применения в тяжелых аэрокосмических условиях в качестве материалов системы тепловой защиты (TPS) с близкой к нулю абляции (например, тепловой экран ) и для движения (например, сопла ракеты).[3][4] Спрос на многоразовые современные материалы с температурой более 2000 ° C постоянно растет.[5][6][7] Недавно были исследованы композиты на основе борида циркония, армированные углеродным волокном, полученные путем инфильтрации суспензии (SI) и спекания.[8][9][10][11][12][13][14][15][16][17][18]

Прорывы в исследованиях

В Европейская комиссия профинансировал исследовательский проект C3HARME в рамках проекта NMP-19-2015 от Рамочные программы исследований и технологического развития в 2016 году (все еще продолжается) для проектирования, разработки, производства и испытаний нового класса ультратугоплавких композитов с керамической матрицей, армированных волокна карбида кремния и Углеродные волокна подходит для применения в суровых условиях аэрокосмической отрасли.[19]

Рекомендации

  1. ^ "c³harme". www.c3harme.eu.
  2. ^ Скити, Дилетта; Сильвестрони, Лаура; Монтеверде, Фредерик; Винчи, Антонио; Золи, Лука (2018-10-17). «Введение в проект H2020 C3HARME - керамические композиты нового поколения для суровых условий горения и космоса». Достижения прикладной керамики. 117 (sup1): s70 – s75. Дои:10.1080/17436753.2018.1509822. ISSN  1743-6753.
  3. ^ Sciti, D .; Золи, Л .; Silvestroni, L .; Cecere, A .; Мартино, Г.Д. Ди; Савино, Р. (2016). «Проектирование, изготовление и испытания высокоскоростной газокислородной горелки сопла из волокна C f -ZrB 2 для оценки его потенциала в ракетных двигателях». Материалы и дизайн. 109: 709–717. Дои:10.1016 / j.matdes.2016.07.090.
  4. ^ Мунгигерра, Стефано; Ди Мартино, Джузеппе Д .; Савино, Рафаэле; Золи, Лука; Скити, Дилетта; Лагос, Мигель А. (2018-07-08). «Сверхвысокотемпературные керамические матричные композиты в среде гибридных ракетных двигателей». Международная конференция по преобразованию энергии 2018 г.. Рестон, Вирджиния: Американский институт аэронавтики и астронавтики. Дои:10.2514/6.2018-4694. ISBN  9781624105715.
  5. ^ Sziroczak, D .; Смит, Х. (2016). «Обзор проблем проектирования гиперзвуковых летательных аппаратов». Прогресс в аэрокосмических науках. 84: 1–28. Дои:10.1016 / j.paerosci.2016.04.001. HDL:1826/10119.
  6. ^ Винчи, Антонио; Золи, Лука; Скити, Дилетта; Уоттс, Джереми; Hilmas, Greg E .; Фаренгольц, Уильям Г. (апрель 2019 г.). «Механическое поведение композитов TaC / SiC и ZrC / SiC, армированных углеродным волокном, при температуре до 2100 ° C». Журнал Европейского керамического общества. 39 (4): 780–787. Дои:10.1016 / j.jeurceramsoc.2018.11.017. ISSN  0955-2219.
  7. ^ Mungiguerra, S .; Ди Мартино, G.D .; Cecere, A .; Савино, Р .; Silvestroni, L .; Винчи, А .; Золи, Л .; Скити, Д. (апрель 2019 г.). «Исследование характеристик сверхвысокотемпературных композитов с керамической матрицей в аэродинамической трубе». Наука о коррозии. 149: 18–28. Дои:10.1016 / j.corsci.2018.12.039. ISSN  0010-938X.
  8. ^ Золи, Л .; Скити, Д. (2017). "Эффективность ZrB2 - Матрица SiC для защиты волокон C от окисления в новых материалах UHTCMC ». Материалы и дизайн. 113: 207–213. Дои:10.1016 / j.matdes.2016.09.104.
  9. ^ Золи, Л .; Винчи, А .; Silvestroni, L .; Sciti, D .; Рис, М .; Грассо, С. (2017). «Быстрое искровое плазменное спекание для получения плотных сверхвысоких температурных волокон, армированных неповрежденными углеродными волокнами». Материалы и дизайн. 130: 1–7. Дои:10.1016 / j.matdes.2017.05.029.
  10. ^ Галиция, Пьетро; Фаилла, Симона; Золи, Лука; Скити, Дилетта (2018). "Жесткий салями Cf / ZrB2 UHTCMCs, полученные методом электрофоретического осаждения ». Журнал Европейского керамического общества. 38 (2): 403–409. Дои:10.1016 / j.jeurceramsoc.2017.09.047.
  11. ^ Винчи, Антонио; Золи, Лука; Скити, Дилетта; Меландри, Чезаре; Гвиччарди, Стефано (2018). «Понимание механических свойств новых UHTCMC посредством анализа случайных лесов и регрессионного дерева». Материалы и дизайн. 145: 97–107. Дои:10.1016 / j.matdes.2018.02.061.
  12. ^ Золи, Л .; Medri, V .; Melandri, C .; Скити, Д. (2015). «Непрерывные волокна SiC-ZrB2 композиты ». Журнал Европейского керамического общества. 35 (16): 4371–4376. Дои:10.1016 / j.jeurceramsoc.2015.08.008.
  13. ^ Sciti, D .; Мурри, А. Натали; Medri, V .; Золи, Л. (2015). "Композиты из непрерывных волокон C с пористым ZrB2 Матрица ». Материалы и дизайн. 85: 127–134. Дои:10.1016 / j.matdes.2015.06.136.
  14. ^ Sciti, D .; Pienti, L .; Мурри, А. Натали; Landi, E .; Medri, V .; Золи, Л. (2014). «От хаотично нарезанных до ориентированных непрерывных волокон SiC – композит ZrB2». Материалы и дизайн. 63: 464–470. Дои:10.1016 / j.matdes.2014.06.037.
  15. ^ Винчи, Антонио; Золи, Лука; Скити, Дилетта (сентябрь 2018 г.). «Влияние содержания SiC на окисление ZrB, армированного углеродным волокном.2 / SiC-композиты при 1500 и 1650 ° C на воздухе ». Журнал Европейского керамического общества. 38 (11): 3767–3776. Дои:10.1016 / j.jeurceramsoc.2018.04.064. ISSN  0955-2219.
  16. ^ Failla, S .; Galizia, P .; Золи, Л .; Винчи, А .; Скити, Д. (март 2019 г.). «Упрочняющий эффект непериодического распределения волокон на энергию распространения трещин в UHTC композитах». Журнал сплавов и соединений. 777: 612–618. Дои:10.1016 / j.jallcom.2018.11.043. ISSN  0925-8388.
  17. ^ Galizia, P .; Золи, Л .; Скити, Д. (декабрь 2018 г.). «Влияние остаточного напряжения на накопление термических повреждений и модуль Юнга сверхвысокотемпературной керамики, армированной волокном». Материалы и дизайн. 160: 803–809. Дои:10.1016 / j.matdes.2018.10.019. ISSN  0264-1275.
  18. ^ Золи, Лука; Винчи, Антонио; Галиция, Пьетро; Меландри, Чезаре; Скити, Дилетта (14.06.2018). «О термостойкости и механических свойствах новых однонаправленных UHTCMC для экстремальных условий окружающей среды». Научные отчеты. 8 (1): 9148. Дои:10.1038 / с41598-018-27328-х. ISSN  2045-2322. ЧВК  6002483. PMID  29904145.
  19. ^ "C3HARME".