Сверхвысокотемпературный композит с керамической матрицей

Сверхвысокотемпературные композиты с керамической матрицей ( UHTCMC ) представляют собой класс тугоплавких композитов с керамической матрицей (CMC) с температурой плавления, значительно более высокой, чем у типичных CMC. ^{[ 1 ]} Помимо прочего, они являются предметом обширных исследований в области аэрокосмической техники из-за их способности выдерживать экстремально высокие температуры в течение длительных периодов времени, что является важнейшим свойством в таких приложениях, как системы тепловой защиты (TPS) и сопла ракет . Карбон, армированный углеродным волокном (C/C), сохраняет свою структурную целостность до 2000 °C; ^{[ 2 ]} однако C/C в основном используется в качестве абляционного материала, предназначенного для целенаправленной эрозии при экстремальных температурах с целью рассеивания энергии. Композиты с матрицей карбида кремния, армированные углеродным волокном ( C/SiC ), и композиты с матрицей карбида кремния, армированные карбидом кремния ( SiC/SiC ), считаются материалами многоразового использования, поскольку карбид кремния представляет собой твердый материал с низкой эрозией и кварцевого стекла во время окисления образует слой . что предотвращает дальнейшее окисление внутреннего материала. Однако выше определенной температуры (она зависит от условий окружающей среды, парциального давления кислорода) начинается активное окисление матрицы карбида кремния до газообразного монооксида кремния ( SiO _(g) ), что приводит к потере защиты от дальнейшего окисления, что приводит материал к неконтролируемая и быстрая эрозия. По этой причине C/SiC и SiC/SiC используются в диапазоне температур 1200–1400 °C.

С одной стороны, КМЦ представляют собой легкие материалы с высоким соотношением прочности и веса даже при высоких температурах, высокой термостойкостью и вязкостью, но подвержены эрозии во время эксплуатации. С другой стороны, объемная керамика, изготовленная из сверхвысокотемпературной керамики (например, ZrB ₂ , HfB ₂ или их композитов), представляет собой твердые материалы, которые демонстрируют низкую эрозию даже при температуре выше 2000 °C, но тяжелые, подвержены катастрофическому разрушению и имеют низкую термостойкость. по сравнению с КМЦ. Легко разрушается при механических или термомеханических нагрузках из-за трещин, вызванных небольшими дефектами или царапинами. Возможность получения многоразовых компонентов для аэрокосмической области на основе матрицы UHTC в армированных волокном композитах все еще находится в стадии изучения.

Европейская комиссия профинансировала исследовательский проект C3HARME. ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]} в рамках конкурса НМП-19-2015 Рамочных программ исследований и технологических разработок в 2016 году (еще продолжается) на проектирование, разработку, производство и испытания нового класса ультратугоплавких керамических матричных композитов, армированных волокнами карбида кремния и углеродными волокнами. подходит для применения в суровых аэрокосмических условиях, поскольку возможно использование материалов системы тепловой защиты с почти нулевой абляцией (TPS) (например, тепловой экран ) и для двигательной установки (например, сопло ракеты). ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]} Спрос на многоразовые современные материалы, выдерживающие температуру более 2000 °C, растет. ^{[ 7 ]}^{[ 8 ]}^{[ 9 ]} Недавно были исследованы композиты на основе борида циркония, армированные углеродным волокном, полученные методами суспензионной инфильтрации (SI) и спекания. ^{[ 10 ]}^{[ 11 ]}^{[ 12 ]}^{[ 13 ]}^{[ 14 ]}^{[ 15 ]}^{[ 16 ]}^{[ 17 ]}^{[ 18 ]}^{[ 19 ]}^{[ 20 ]}

Прорывы в исследованиях

Европейская комиссия профинансировала исследовательский проект C3HARME в рамках программы NMP-19-2015 Рамочных программ исследований и технологических разработок в 2016 году (все еще продолжается) для проектирования, разработки, производства и испытаний нового класса сверхтугоплавкой керамики. матричные композиты, армированные волокнами карбида кремния и углеродными волокнами, подходящие для применения в тяжелых условиях аэрокосмической промышленности. ^{[ 21 ]}

Ссылки

^ Марумо, Томоки; Койде, Нориацу; Арай, Ютаро; Нисимура, Тосиюки; Хасэгава, Макото; Иноуэ, Ре (октябрь 2022 г.). «Характеристика армированных углеродным волокном сверхвысокотемпературных композитов с керамической матрицей, изготовленных методом инфильтрации расплава сплава Zr-Ti» . Журнал Европейского керамического общества . 42 (13): 5208–5219. doi : 10.1016/j.jeurceramsoc.2022.06.040 . S2CID 249838869 . Проверено 12 декабря 2023 г.
^ Ченг, Тяньбао; Чжан, Рубинг; Пей, Юнмао; Он, Руджи; Фанг, Дайнинг; Ян, Ячжэн (12 июня 2019 г.). «Изгибные свойства углерод-углеродных композитов при температуре до 2600 °С» . Материалы Research Express . 6 (8). Бибкод : 2019MRE.....6h5629C . дои : 10.1088/2053-1591/ab23c9 . S2CID 181325974 . Проверено 12 декабря 2023 г.
^ «чарм» . www.c3harme.eu .
^ Скити, Дилетта; Сильвестрони, Лаура; Монтеверде, Фредерик; Винчи, Антонио; Золи, Лука (17 октября 2018 г.). «Представление проекта H2020 C3HARME – керамические композиты нового поколения для сжигания в суровых условиях окружающей среды и космоса» . Достижения прикладной керамики . 117 (sup1): с70–с75. Бибкод : 2018AdApC.117S..70S . дои : 10.1080/17436753.2018.1509822 . ISSN 1743-6753 .
^ Сйти, Д.; Золи, Л.; Сильвестрони, Л.; Сечере, А.; Мартино, Г.Д. Ди; Савино, Р. (2016). «Проектирование, изготовление и высокоскоростные газокислородные испытания волоконного сопла 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 .
^ Мунгигерра, Стефано; Ди Мартино, Джузеппе Д.; Савино, Рафаэле; Золи, Лука; Скити, Дилетта; Лагос, Мигель А. (08 июля 2018 г.). «Сверхвысокотемпературные композиты с керамической матрицей в среде гибридных ракетных двигателей» . Международная конференция по вопросам преобразования энергии 2018 . Рестон, Вирджиния: Американский институт аэронавтики и астронавтики. дои : 10.2514/6.2018-4694 . ISBN 9781624105715 .
^ Широчак, Д.; Смит, Х. (2016). «Обзор проблем проектирования гиперзвуковых летательных аппаратов». Прогресс аэрокосмических наук . 84 : 1–28. Бибкод : 2016ПрАэС..84....1С . дои : 10.1016/j.paerosci.2016.04.001 . hdl : 1826/10119 .
^ Винчи, Антонио; Золи, Лука; Скити, Дилетта; Уоттс, Джереми; Хилмас, Грег Э.; Фаренгольц, Уильям Г. (апрель 2019 г.). «Механическое поведение композитов TaC/SiC и ZrC/SiC, армированных углеродным волокном, до 2100 ° C». Журнал Европейского керамического общества . 39 (4): 780–787. doi : 10.1016/j.jeurceramsoc.2018.11.017 . ISSN 0955-2219 . S2CID 139993345 .
^ Мунгигерра, С.; Ди Мартино, Грузия; Сечере, А.; Савино, Р.; Сильвестрони, Л.; Винчи, А.; Золи, Л.; Скити, Д. (апрель 2019 г.). «Дуговая аэродинамическая характеристика сверхвысокотемпературных композитов с керамической матрицей» . Коррозионная наука . 149 : 18–28. дои : 10.1016/j.corsci.2018.12.039 . ISSN 0010-938X . S2CID 139421458 .
^ Золи, Л.; Скити, Д. (2017). «Эффективность матрицы ZrB ₂ –SiC в защите волокон C от окисления в новых материалах UHTCMC» . Материалы и дизайн . 113 : 207–213. дои : 10.1016/j.matdes.2016.09.104 .
^ Золи, Л.; Винчи, А.; Сильвестрони, Л.; Сйти, Д.; Рис, М.; Грассо, С. (2017). «Быстрое искрово-плазменное спекание для получения плотных СВТЦ, армированных неповрежденными углеродными волокнами» . Материалы и дизайн . 130 : 1–7. дои : 10.1016/j.matdes.2017.05.029 .
^ Галиция, Пьетро; Файя, Симона; Золи, Лука; Сйти, Дилетта (2018). UHTCMC на основе салями, _{«Жесткие Cf/ZrB 2} полученные электрофоретическим осаждением» . Журнал Европейского керамического общества . 38 (2): 403–409. doi : 10.1016/j.jeurceramsoc.2017.09.047 .
^ Винчи, Антонио; Золи, Лука; Скити, Дилетта; Меландри, Чезаре; Гвиччарди, Стефано (2018). «Понимание механических свойств новых UHTCMC с помощью анализа случайного леса и дерева регрессии» . Материалы и дизайн . 145 : 97–107. дои : 10.1016/j.matdes.2018.02.061 .
^ Золи, Л.; Медри, В.; Меландри, К.; Скити, Д. (2015). «Непрерывные волокна SiC-ZrB ₂ « Композиты »» . Журнал Европейского керамического общества . 35 (16): 4371–4376. doi : 10.1016/j.jeurceramsoc.2015.08.008 .
^ Сйти, Д.; Мурри, А. Натали; Медри, В.; Золи, Л. (2015). «Композиты из непрерывного волокна C с пористой матрицей ZrB ₂ ». Материалы и дизайн . 85 : 127–134. дои : 10.1016/j.matdes.2015.06.136 .
^ Коса, Д.; Пиенти, Л.; Мюррей, А. Кристмас; Ланди, Э.; Медри, В.; Золи, Л. (2014). «От хаотичного рубленого к ориентированным непрерывным композитам SiC-волокна ZrB2». Материалы и дизайн . 63 : 464–470. дои : 10.1016/j.matdes.2014.06.037 .
^ Винчи, Антонио; Золи, Лука; Sciti, Diletta (сентябрь 2018 г.). «Влияние содержания SiC на окисление композитов ZrB ₂ /SiC, армированных углеродным волокном, при 1500 и 1650 °C на воздухе» . Журнал Европейского керамического общества . 38 (11): 3767–3776. doi : 10.1016/j.jeurceramsoc.2018.04.064 . ISSN 0955-2219 . S2CID 139815518 .
^ Файла, С.; Галиция, П.; Золи, Л.; Винчи, А.; Скити, Д. (март 2019 г.). «Влияние ужесточения 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 . S2CID 139247345 .
^ Галиция, П.; Золи, Л.; Скити, Д. (декабрь 2018 г.). «Влияние остаточного напряжения на накопление термических повреждений и модуль Юнга армированной волокном сверхвысокотемпературной керамики» . Материалы и дизайн . 160 : 803–809. дои : 10.1016/j.matdes.2018.10.019 . ISSN 0264-1275 .
^ Золи, Лука; Винчи, Антонио; Галиция, Пьетро; Меландри, Чезаре; Скити, Дилетта (14 июня 2018 г.). «О термостойкости и механических свойствах новых однонаправленных UHTCMC для экстремальных условий» . Научные отчеты . 8 (1): 9148. Бибкод : 2018NatSR...8.9148Z . дои : 10.1038/s41598-018-27328-x . ISSN 2045-2322 . ПМК 6002483 . ПМИД 29904145 .
^ "С3ХАРМЕ" .

[1] Марумо, Томоки; Койде, Нориацу; Арай, Ютаро; Нисимура, Тосиюки; Хасэгава, Макото; Иноуэ, Ре (октябрь 2022 г.). «Характеристика армированных углеродным волокном сверхвысокотемпературных композитов с керамической матрицей, изготовленных методом инфильтрации расплава сплава Zr-Ti» . Журнал Европейского керамического общества . 42 (13): 5208–5219. doi : 10.1016/j.jeurceramsoc.2022.06.040 . S2CID 249838869 . Проверено 12 декабря 2023 г.

[2] Ченг, Тяньбао; Чжан, Рубинг; Пей, Юнмао; Он, Руджи; Фанг, Дайнинг; Ян, Ячжэн (12 июня 2019 г.). «Изгибные свойства углерод-углеродных композитов при температуре до 2600 °С» . Материалы Research Express . 6 (8). Бибкод : 2019MRE.....6h5629C . дои : 10.1088/2053-1591/ab23c9 . S2CID 181325974 . Проверено 12 декабря 2023 г.

[3] «чарм» . www.c3harme.eu .

[4] Скити, Дилетта; Сильвестрони, Лаура; Монтеверде, Фредерик; Винчи, Антонио; Золи, Лука (17 октября 2018 г.). «Представление проекта H2020 C3HARME – керамические композиты нового поколения для сжигания в суровых условиях окружающей среды и космоса» . Достижения прикладной керамики . 117 (sup1): с70–с75. Бибкод : 2018AdApC.117S..70S . дои : 10.1080/17436753.2018.1509822 . ISSN 1743-6753 .

[5] Сйти, Д.; Золи, Л.; Сильвестрони, Л.; Сечере, А.; Мартино, Г.Д. Ди; Савино, Р. (2016). «Проектирование, изготовление и высокоскоростные газокислородные испытания волоконного сопла 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 .

[6] Мунгигерра, Стефано; Ди Мартино, Джузеппе Д.; Савино, Рафаэле; Золи, Лука; Скити, Дилетта; Лагос, Мигель А. (08 июля 2018 г.). «Сверхвысокотемпературные композиты с керамической матрицей в среде гибридных ракетных двигателей» . Международная конференция по вопросам преобразования энергии 2018 . Рестон, Вирджиния: Американский институт аэронавтики и астронавтики. дои : 10.2514/6.2018-4694 . ISBN 9781624105715 .

[Sziroczak_2016-7] Широчак, Д.; Смит, Х. (2016). «Обзор проблем проектирования гиперзвуковых летательных аппаратов». Прогресс аэрокосмических наук . 84 : 1–28. Бибкод : 2016ПрАэС..84....1С . дои : 10.1016/j.paerosci.2016.04.001 . hdl : 1826/10119 .

[8] Винчи, Антонио; Золи, Лука; Скити, Дилетта; Уоттс, Джереми; Хилмас, Грег Э.; Фаренгольц, Уильям Г. (апрель 2019 г.). «Механическое поведение композитов TaC/SiC и ZrC/SiC, армированных углеродным волокном, до 2100 ° C». Журнал Европейского керамического общества . 39 (4): 780–787. doi : 10.1016/j.jeurceramsoc.2018.11.017 . ISSN 0955-2219 . S2CID 139993345 .

[9] Мунгигерра, С.; Ди Мартино, Грузия; Сечере, А.; Савино, Р.; Сильвестрони, Л.; Винчи, А.; Золи, Л.; Скити, Д. (апрель 2019 г.). «Дуговая аэродинамическая характеристика сверхвысокотемпературных композитов с керамической матрицей» . Коррозионная наука . 149 : 18–28. дои : 10.1016/j.corsci.2018.12.039 . ISSN 0010-938X . S2CID 139421458 .

[10] Золи, Л.; Скити, Д. (2017). «Эффективность матрицы ZrB ₂ –SiC в защите волокон C от окисления в новых материалах UHTCMC» . Материалы и дизайн . 113 : 207–213. дои : 10.1016/j.matdes.2016.09.104 .

[11] Золи, Л.; Винчи, А.; Сильвестрони, Л.; Сйти, Д.; Рис, М.; Грассо, С. (2017). «Быстрое искрово-плазменное спекание для получения плотных СВТЦ, армированных неповрежденными углеродными волокнами» . Материалы и дизайн . 130 : 1–7. дои : 10.1016/j.matdes.2017.05.029 .

[12] Галиция, Пьетро; Файя, Симона; Золи, Лука; Сйти, Дилетта (2018). UHTCMC на основе салями, _{«Жесткие Cf/ZrB 2} полученные электрофоретическим осаждением» . Журнал Европейского керамического общества . 38 (2): 403–409. doi : 10.1016/j.jeurceramsoc.2017.09.047 .

[13] Винчи, Антонио; Золи, Лука; Скити, Дилетта; Меландри, Чезаре; Гвиччарди, Стефано (2018). «Понимание механических свойств новых UHTCMC с помощью анализа случайного леса и дерева регрессии» . Материалы и дизайн . 145 : 97–107. дои : 10.1016/j.matdes.2018.02.061 .

[14] Золи, Л.; Медри, В.; Меландри, К.; Скити, Д. (2015). «Непрерывные волокна SiC-ZrB ₂ « Композиты »» . Журнал Европейского керамического общества . 35 (16): 4371–4376. doi : 10.1016/j.jeurceramsoc.2015.08.008 .

[15] Сйти, Д.; Мурри, А. Натали; Медри, В.; Золи, Л. (2015). «Композиты из непрерывного волокна C с пористой матрицей ZrB ₂ ». Материалы и дизайн . 85 : 127–134. дои : 10.1016/j.matdes.2015.06.136 .

[16] Коса, Д.; Пиенти, Л.; Мюррей, А. Кристмас; Ланди, Э.; Медри, В.; Золи, Л. (2014). «От хаотичного рубленого к ориентированным непрерывным композитам SiC-волокна ZrB2». Материалы и дизайн . 63 : 464–470. дои : 10.1016/j.matdes.2014.06.037 .

[17] Винчи, Антонио; Золи, Лука; Sciti, Diletta (сентябрь 2018 г.). «Влияние содержания SiC на окисление композитов ZrB ₂ /SiC, армированных углеродным волокном, при 1500 и 1650 °C на воздухе» . Журнал Европейского керамического общества . 38 (11): 3767–3776. doi : 10.1016/j.jeurceramsoc.2018.04.064 . ISSN 0955-2219 . S2CID 139815518 .

[18] Файла, С.; Галиция, П.; Золи, Л.; Винчи, А.; Скити, Д. (март 2019 г.). «Влияние ужесточения 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 . S2CID 139247345 .

[19] Галиция, П.; Золи, Л.; Скити, Д. (декабрь 2018 г.). «Влияние остаточного напряжения на накопление термических повреждений и модуль Юнга армированной волокном сверхвысокотемпературной керамики» . Материалы и дизайн . 160 : 803–809. дои : 10.1016/j.matdes.2018.10.019 . ISSN 0264-1275 .

[20] Золи, Лука; Винчи, Антонио; Галиция, Пьетро; Меландри, Чезаре; Скити, Дилетта (14 июня 2018 г.). «О термостойкости и механических свойствах новых однонаправленных UHTCMC для экстремальных условий» . Научные отчеты . 8 (1): 9148. Бибкод : 2018NatSR...8.9148Z . дои : 10.1038/s41598-018-27328-x . ISSN 2045-2322 . ПМК 6002483 . ПМИД 29904145 .

[21] "С3ХАРМЕ" .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]

[ 21 ]