SiC-SiC matritsali kompozit - SiC–SiC matrix composite

SiC-SiC matritsali kompozit ning ma'lum bir turi seramika matritsali kompozit (CMC) asosan metallga alternativa sifatida gaz turbinalari kabi dasturlarda foydalanish uchun yuqori haroratli materiallar sifatida qiziqish uyg'otmoqda. qotishmalar. CMClar odatda tizimdir materiallar a yotadigan sopol tolalar yoki zarrachalardan tashkil topgan seramika matritsa bosqichi. Bunday holda, SiC / SiC kompozitsiyasi SiC (kremniy karbid ) matritsa fazasi va turli xil ishlov berish usullari bilan birlashtirilgan tolalar fazasi. SiC / SiC kompozitlarining ajoyib xususiyatlari yuqori issiqlik, mexanik va kimyoviy barqarorlik, shuningdek yuqori quvvatni ta'minlaydi vazn nisbati.[1]

Qayta ishlash

SiC / SiC kompozitlari asosan uch xil usulda qayta ishlanadi. Biroq, ushbu qayta ishlash usullari kerakli tuzilma yoki xususiyatni yaratish uchun ko'pincha o'zgarishga duch keladi:[1]

  1. Bug'ning kimyoviy infiltratsiyasi (CVI) - CVI usuli CVD bilan ishlab chiqilgan an'anaviy usullardan foydalanib, avval SiC mo'ylovi yoki nanovirlarni preformda etishtirish uchun gaz fazasi SiC prekursoridan foydalanadi. Elyaflarning o'sishidan so'ng, gaz yana preformga kirib, zichlashadi va matritsa fazasini hosil qiladi. Odatda, CVI paytida zichlik darajasi sekin bo'ladi, shuning uchun bu jarayon nisbatan yuqori qoldiq g'ovakliligini hosil qiladi (10-15%).[1][2]
  2. Polimerlarni singdirish va piroliz (PIP) - PIP usuli qo'llaniladi premeramik polimerlar (polimer SiC prekursorlari) SiC matritsasini yaratish uchun tolali preformga infiltratsiya qilish uchun. Ushbu usul polimerdan seramika konversiyalash jarayoni tufayli past stexiometriyani va shuningdek, kristalllikni beradi (seramizatsiya ). Bundan tashqari, ushbu konversiya jarayonida qisqarish sodir bo'ladi, natijada qoldiq g'ovaklilik 10-20% ni tashkil qiladi. Siqilishni qoplash uchun bir nechta infiltratsiyalarni bajarish mumkin.[3]
  3. Eritma infiltratsiyasi (MI) - MI usuli bir nechta farqlarga ega, shu jumladan tolali preformga singib ketish uchun SiC zarracha bulamacining dispersiyasidan yoki SiC tolalariga uglerodni qoplash uchun CVI dan foydalangan holda, so'ngra Si infiltratsiyali suyuqlik bilan SiC hosil bo'lib uglerod bilan reaksiyaga kirishgan. Ushbu usullar yordamida kimyoviy reaktivlik, eritmaning yopishqoqligi va ikki komponent o'rtasida namlanishni diqqat bilan ko'rib chiqish kerak. Eritilgan Si infiltratsiyasining ba'zi muammolari shundaki, erkin Si kompozitsiyaning oksidlanish va sirpanib ketishga chidamliligini pasaytirishi mumkin. Shu bilan birga, ushbu texnik, zichlik darajasi yuqori bo'lganligi sababli, qolgan ikkita texnikaga nisbatan odatda qoldiq g'ovakliligini (~ 5%) beradi.[1][4][5]

Xususiyatlari

Mexanik

CMClarning, shu jumladan SiC-SiC kompozitlarining mexanik xususiyatlari ularning turli xil tarkibiy qismlari, ya'ni tola, matritsa va interfeyslarning xususiyatlariga qarab o'zgarishi mumkin. Masalan, tolalarning kattaligi, tarkibi, kristalligi yoki hizalanishi kompozitning xususiyatlarini belgilaydi. Matritsali mikrokreking va tola-matritsani ajratish o'rtasidagi o'zaro bog'liqlik ko'pincha SiC / SiC kompozitlarining ishdan chiqish mexanizmida ustunlik qiladi. Bu SiC / SiC kompozitlarini to'liq seramika bo'lishiga qaramay, mo'rt bo'lmagan xatti-harakatlarga olib keladi. Bundan tashqari, yuqori haroratda sudralish tezligi juda past, ammo baribir uning turli tarkibiy qismlariga bog'liq.[1][6]

Issiqlik

SiC-SiC kompozitlari nisbatan yuqori issiqlik o'tkazuvchanligiga ega va o'ziga xos yuqori suzish va oksidlanishga chidamliligi tufayli juda yuqori haroratlarda ishlashi mumkin. Materialning qoldiq g'ovakliligi va stokiometriyasi uning issiqlik o'tkazuvchanligini har xil bo'lishi mumkin, chunki g'ovakliligi ortib, issiqlik o'tkazuvchanligi past bo'ladi va Si-O-C fazasi ham past issiqlik o'tkazuvchanligiga olib keladi. Umuman olganda, yaxshi ishlov berilgan SiC-SiC kompozitsiyasi 1000 Selsiyda 30 Vt / m-K atrofida issiqlik o'tkazuvchanligiga erishishi mumkin.[1]

Kimyoviy

SiC-SiC kompozitsiyalari odatda yuqori haroratli dasturlarda izlanayotganligi sababli ularning oksidlanish qarshiligi katta ahamiyatga ega. SiC-SiC kompozitsiyalari uchun oksidlanish mexanizmi harorat oralig'iga qarab o'zgarib turadi, yuqori harorat oralig'ida (> 1000 ° C) ishlash past haroratga (<1000 ° C) nisbatan ancha foydali bo'ladi. Birinchi holatda passiv oksidlanish ikkinchi holatda himoya oksidi qatlamini hosil qiladi, oksidlanish tolalar-matritsa interfeysini buzadi. Shunga qaramay, oksidlanish muammosi bo'lib, ushbu muammoni hal qilish uchun atrof-muhitga to'sqinlik qiladigan qoplamalar tekshirilmoqda.[1]

Ilovalar

Aerokosmik

Silikon karbid (SiC) seramika matritsali kompozitlari (CMC) - bu turbinali motor komponentlari va termal himoya tizimlari kabi aerokosmik dasturlarni yaxshilash uchun ishlatiladigan muhandislik keramika materiallarining o'ziga xos qo'llanilishi. Yuqori harorat qobiliyatlari, past zichlik va oksidlanish va korroziyaga chidamliligi tufayli SiC / SiC CMC'lari asosan aerokosmik qo'llanmalarda qo'llaniladi. Aylanadigan dvigatel qismlarida SiC / SiC CMC-laridan foydalanish dizayni va dvigatel strukturasining og'irligini kamaytiradi, bu esa ishlash va yoqilg'i chiqindilarini yaxshilaydi. SiC / SiC seramika matritsasi tarkibiy qismlarini amalga oshirish samolyot va kosmik transport vositalarining ishlashi va yoqilg'i samaradorligini yaxshilaydi, iqtisodiy jihatdan atrof-muhitga qo'shimcha zararni kamaytiradi.

SiC / SiC CMC-larining qo'shimcha qo'llanmalariga aero-qo'zg'aluvchi va turbinali gaz turbinali dvigatellarning yonish va turbinali uchastkalari, issiqlik himoyasi tizimlari, itaruvchi shtutserlar, qayta ishlatiladigan raketa nozullari va kosmik transport vositalari uchun turbopomp komponentlari kiradi.

Kelajakdagi SiC / SiC CMClarini ishlab chiqish va amalga oshirish bilan, SiC tolasi suzib yurish va buzilish xususiyatlarini tekshirish kerak. Donning kattaligi, aralashmalari, g'ovakliligi va sirt yetishmovchiligi kabi nuqsonlar SiC tolasining sirpanishiga va yorilishiga yordam beradi. Nisbatan past chidamlilik, kam shikastlanish bardoshligi va mexanik xususiyatlarning katta o'zgaruvchanligi tufayli CMClar kamroq tanqidiy komponentlar bilan cheklangan. Kelajakda ko'proq SiC / SiC CMC-larini aerokosmik qo'llanmalarga tatbiq etish uchun keramika materiallarining xususiyatlarini, degradatsiyasini, mexanizmlarini va o'zaro ta'sirini tushunmaslik, komponentlarning ishlash muddatini oldini olish va tarkibiy qismlarning dizaynini kengaytirish uchun to'sqinlik qilmoqda.

Adabiyotlar

  1. ^ a b v d e f g Naslain, R. R. (2005), SiC-Matritsa kompozitsiyalari: Termo-strukturaviy qo'llanilish uchun mo'rt bo'lmagan keramika. Xalqaro amaliy keramika texnologiyalari jurnali, 2: 75–84. doi: 10.1111 / j.1744-7402.2005.02009.x
  2. ^ Yang, V.; Araki, X .; Kohyama, A .; Taveetavorn, S .; Suzuki, H.; Noda, T. (2004). "Kimyoviy bug 'infiltratsiyasi jarayoni bilan joyida SiC nanotexnika / SiC matritsali kompozitsiyani ishlab chiqarish". Materiallar xatlari. 58 (25): 3145. doi:10.1016 / j.matlet.2004.05.059.
  3. ^ Nannetti, C. A., Ortona, A., de Pinto, D. va Rikkardi, B. (2004), yaxshilangan CVI / bulamaç infiltratsiyasi / polimer singdirish va SiC-tolali mustahkamlangan SiC matritsali kompozitsiyalar ishlab chiqarish va. Piroliz. Amerika seramika jamiyati jurnali, 87: 1205-1209. doi: 10.1111 / j.1551-2916.2004.tb20093.x
  4. ^ Brennan, J. J. (2000). "Suyuq quyma eritilgan infiltratsiyalangan SiC / SiC seramika-matritsali kompozitning yuzalararo tavsifi". Acta Materialia. 48 (18–19): 4619–4628. doi:10.1016 / S1359-6454 (00) 00248-2.
  5. ^ Hillig, W. B. (1988), seramika matritsa kompozitsiyalariga eritilgan infiltratsiya yondashuvi. Amerika seramika jamiyati jurnali, 71: C-96-C-99. doi: 10.1111 / j.1151-2916.1988.tb05840.x
  6. ^ Xinoki, Tatsuya, Edgar Lara-Kurzio va Lens L. Snead. "Yuqori tozaligi SiC tolasidan mustahkamlangan CVI-SiC matritsali kompozitlarning mexanik xususiyatlari." Fusion fan va texnologiya 44 (2003): 211-218.