Nuova fibra ad alte prestazioni in carburo di silicio

La fibra di carburo di silicio offre i seguenti vantaggi: resistenza all'ossidazione ad alta temperatura, elevata durezza, elevata resistenza, elevata stabilità termica, resistenza alla corrosione e bassa densità. È uno dei materiali aerospaziali più adatti per applicazioni stealth, di rinforzo e resistenti alle alte temperature. Presenta inoltre una ridotta sezione d'urto di assorbimento neutronico, il che ne consente un'ampia applicazione in aviazione, aerospaziale, energia nucleare e altri settori.

Un elevato rapporto spinta/peso è l'obiettivo che i motori aerospaziali avanzati perseguono costantemente. Con l'aumento del rapporto spinta/peso del motore, la temperatura di ingresso della turbina continua ad aumentare e l'attuale sistema di materiali in lega ad alta temperatura difficilmente soddisfa i requisiti dei motori aerospaziali avanzati. Ad esempio, la temperatura di ingresso della turbina dei motori esistenti con un rapporto spinta/peso di 10 ha raggiunto i 1500 °C, e la temperatura media di ingresso della turbina dei motori con un rapporto spinta/peso compreso tra 12 e 15 supererà i 1800 °C, ben oltre la temperatura di utilizzo delle leghe ad alta temperatura e dei composti intermetallici. Attualmente, la temperatura di esercizio dei materiali in lega ad alta temperatura a base di nichel con la migliore resistenza al calore può raggiungere solo circa 1100 °C. La temperatura di esercizio del SiCf/SiC può essere aumentata fino a 1650 °C ed è considerato il materiale più ideale per i componenti strutturali dell'estremità calda dei motori aerospaziali.

Nei paesi sviluppati come l'Europa e gli Stati Uniti, il SiCf/SiC è stato praticamente utilizzato e prodotto in serie in parti statiche di motori aeronautici, tra cui M53-2, M88, M88-2, F100, F119, EJ200, F414, F110, F136 e altri modelli. Motori per aerei militari e civili.

Sebbene il mio Paese abbia elencato la ricerca tecnologica applicativa sui compositi a matrice ceramica in carburo di silicio (CMC-SiC) come un'area di sviluppo chiave fin dagli anni '80, nel gennaio 2022 un motore aerospaziale costruito da NPU utilizzando nuovi materiali compositi a matrice ceramica nazionali, il disco turbina integrale, ha completato con successo la sua prima verifica di volo. Questo è anche il primo test di volo aereo nazionale di una piattaforma di assemblaggio rotore in composito a matrice ceramica, segnando un'altra importante svolta nella tecnologia chiave del nostro motore aeronautico. Tuttavia, finora, l'ambito di applicazione e il tempo di valutazione cumulativo del CMC-SiC nel mio Paese sono molto limitati e vi è un enorme divario con la ricerca applicativa ingegneristica estera.

Con il rapido sviluppo della moderna tecnologia radio e dei sistemi di rilevamento radar, la tecnologia stealth, come mezzo efficace per migliorare la sopravvivenza e la capacità di penetrazione dei sistemi d'arma, in particolare le capacità di attacco in profondità, è diventata un tema caldo tra le potenze militari in competizione per gli armamenti ad alta tecnologia. L'uso della tecnologia dei materiali stealth è attualmente il mezzo più efficace e fattibile per la stealth radar. Per i materiali stealth utilizzati in ambienti speciali, oltre a ridurre condizioni di base come la rilevabilità, è anche necessario che i materiali presentino una buona stabilità termica e resistenza alla corrosione. Ad esempio, gli ugelli di coda del motore, i bordi delle ali e altre parti dei caccia stealth ad alta velocità saranno sottoposti a prove di ossidazione ad alta temperatura e ripetuti impatti ad alta e bassa temperatura. Il SiCf/SiC non solo presenta eccellenti proprietà meccaniche, resistenza all'ossidazione e una maggiore durata alle alte temperature, ma possiede anche buone proprietà di assorbimento delle onde, che soddisfano i requisiti dei componenti ad alta temperatura di armi e equipaggiamenti come la superficie degli aerei supersonici, gli ugelli di coda del motore e le narici dei missili da crociera. Requisiti stealth, ampie prospettive applicative.

Con la crescente enfasi sulle questioni di sicurezza dei reattori, quasi tutti gli elementi di combustione in lega di zirconio utilizzati nelle attuali centrali nucleari con reattori ad acqua commerciali sono stati riconsiderati e nuovi elementi di combustibile che utilizzano il carburo di silicio come materiali di rivestimento o matrice sono diventati un nuovo punto caldo della ricerca. Gli elementi di combustibile sono i componenti principali dei reattori nucleari e i loro indicatori di prestazione influenzano direttamente la sicurezza e l'economia del reattore. Il SiCf ha eccellenti proprietà come resistenza alle alte temperature, elevata durezza, buona resistenza all'usura, buona resistenza agli shock termici, elevata conduttività termica, forte resistenza all'ossidazione e alla corrosione chimica, e la sua piccola sezione d'urto di assorbimento dei neutroni, il basso calore intrinseco di attività e di decadimento lo rendono adatto al campo dei reattori nucleari e ha buone prospettive di applicazione nei reattori ad acqua leggera, nei reattori a sali fusi e nei reattori veloci raffreddati a gas.

Negli ultimi 40 anni dalla sua nascita, la fibra di SiC si è sviluppata rapidamente. In base alla diversa composizione e struttura delle fibre, può essere suddivisa in fibre di prima, seconda e terza generazione. La prima generazione è la fibra di carburo di silicio ad alto contenuto di ossigeno e carbonio, la seconda generazione è la fibra di carburo di silicio a basso contenuto di ossigeno e alto contenuto di carbonio, mentre la terza generazione è la fibra di carburo di silicio con un rapporto quasi stechiometrico. Nel processo di sviluppo della fibra di SiC, paesi come il Giappone e gli Stati Uniti hanno sempre preso l'iniziativa e si sono confrontati.

Negli anni '80, il nostro Paese si rese conto che la fibra di carburo di silicio, in quanto nuovo materiale, aveva un potenziale valore applicativo nel campo aerospaziale, così iniziò a pianificare in anticipo e organizzò appositamente ricercatori scientifici competenti della National University of Defense Technology per istituire un gruppo di ricerca sulla fibra di SiC.

Dopo il 2000, il mio Paese è entrato nella fase di ricerca applicativa della prima generazione di fibre SiC e ha avviato un'ardua attività di ricerca e sviluppo industriale di fibre SiC sviluppate in modo indipendente.

Nel 2005, con l'appoggio della provincia di Jiangsu e del governo municipale di Suzhou, è stato avviato lo sviluppo industriale della fibra continua di carburo di silicio resistente alle alte temperature e si è formato un solido team di ricerca scientifica. Grazie al duro lavoro e alla ricerca e sviluppo indipendenti, le principali attrezzature sono state realizzate autonomamente e sono diventate la prima azienda nazionale a raggiungere la produzione continua di fibre di carburo di silicio, rompendo il blocco tecnico di lunga data e il monopolio di prodotto imposto da Giappone, Stati Uniti e altri paesi su questo tipo di materiali sensibili alle esigenze militari.

Negli ultimi 10 anni, lo sviluppo di motori aerospaziali ha posto in essere una chiara richiesta di fibre SiC continue resistenti alle alte temperature, il che ha promosso direttamente lo sviluppo di tecnologie ingegneristiche per fibre SiC di seconda e terza generazione.

In risposta alle carenze dell'elevato contenuto di ossigeno della fibra SiC di prima generazione, che impedisce alla temperatura di utilizzo a lungo termine in aria di superare i 1050 °C, la National University of Defense Technology ha avviato una ricerca tecnologica chiave sulla fibra SiC di seconda generazione. Pur mantenendo la reattività del policarbosilano, ottimizzandone la composizione e la struttura, abbiamo compiuto progressi nella sintesi di policarbosilano ad alto punto di rammollimento con buona filabilità e tecnologia di trattamento non-fondente senza ossigeno, ottimizzando i processi di pre-combustione e cottura finale. Abbiamo acquisito la padronanza della tecnologia di preparazione ingegneristica continua della fibra SiC di seconda generazione con diritti di proprietà intellettuale indipendenti.

Nel periodo del "Dodicesimo piano quinquennale", sono stati forniti in totale più di 600 chilogrammi di fibre e tessuti SiC continui di seconda generazione ad AVIC, Aerospace Science and Technology Group e altre unità utilizzatrici, che hanno inizialmente soddisfatto l'urgente domanda di fibre SiC continue di seconda generazione per motori aerospaziali avanzati e altri.

Finora, la fibra continua di SiC ha compiuto grandi progressi in termini di tipologie di prodotti, prestazioni e produttività, e ha inizialmente infranto una serie di misure di blocco straniere che imponevano un embargo sulla tecnologia di preparazione, sulle apparecchiature di processo e sui prodotti in fibra continua di SiC.

Al fine di migliorare ulteriormente le prestazioni ad alta temperatura delle fibre di SiC nazionali, la National University of Defense Technology ha avviato lo sviluppo di fibre di SiC di terza generazione. Le fibre di terza generazione sviluppate dalla National University of Defense Technology includono principalmente KD-S e KD-SA. La prima è utilizzata principalmente nel campo dell'energia nucleare avanzata, mentre la seconda è utilizzata principalmente nei materiali strutturali ad alta temperatura. La fibra KD-S utilizza un metodo di idrocalcinazione per rimuovere il carbonio, ha una composizione quasi stechiometrica e una resistenza alla trazione superiore a 2,5 GPa. La fibra KD-SA adotta un processo di preparazione simile alla fibra Tyranno SA. Il precursore polialluminocarbosilano viene preparato a partire da policarbosilano a basso peso molecolare e acetilacetonato di alluminio o cloruro di alluminio. La fibra KD-SA ha compiuto grandi progressi e presenta un'elevata resistenza. Con una resistenza superiore a 2,2 GPa, il modulo elastico a trazione raggiunge i 380 GPa. Inoltre, per soddisfare la domanda di materiali strutturali stealth ad alta temperatura, la National University of Defense Technology ha condotto anche ricerche sulle fibre assorbenti.

Negli ultimi anni, molte unità hanno iniziato a dedicarsi alla ricerca e alla produzione di fibre di carburo di silicio. Hanno inoltre costruito una piattaforma pilota di apparecchiature di ricerca per fibre di SiC continue e sviluppato fibre di SiC di seconda generazione utilizzando la tecnologia di reticolazione mediante irradiazione con fascio di elettroni. Il metodo di riduzione con H₂ è stato utilizzato per studiare la preparazione di fibre con rapporti quasi stechiometrici, utilizzando un processo di preparazione simile alla fibra Hi-Nicalon S giapponese. Sono stati prodotti campioni di fibre di SiC continue. Allo stesso tempo, è stato utilizzato anche un processo simile a Tyranno SA per preparare fibre Si-Al-C. Esplorazione preliminare.

Grazie ai vantaggi sociali ed economici delle fibre di SiC continue, le aziende hanno iniziato a partecipare attivamente allo sviluppo di questo materiale e a sviluppare prodotti in fibra di SiC continua. Attualmente, è stata raggiunta la produzione di fibre di SiC continue di prima generazione a livello di tonnellate.

Con l'accelerato sviluppo della modernizzazione della difesa nazionale, della potenza militare e della tecnologia degli armamenti, le fibre ad alte prestazioni si sono sviluppate rapidamente in vari campi. Come rappresentante delle fibre ad alte prestazioni, la fibra di carburo di silicio offre un'eccellente resistenza alle alte temperature e alla corrosione. L'assorbimento delle onde ha ricevuto ampia attenzione.

Sebbene la tecnologia ci abbia bloccato per decenni, fortunatamente non abbiamo mai smesso di recuperare terreno. Attualmente, alcuni livelli tecnologici di preparazione delle fibre di carburo di silicio nel mio Paese sono prossimi ai livelli avanzati internazionali, ma nel complesso, esiste ancora un certo divario tra il mio Paese e i Paesi stranieri, soprattutto nella realizzazione della produzione industriale. La fibra di carburo di silicio è una nuova riserva strategica nazionale e il Paese sta aumentando la distribuzione e gli investimenti. Si ritiene che nel prossimo futuro il nostro Paese padroneggerà gradualmente la tecnologia di base della fibra di carburo di silicio e realizzerà la produzione industriale di fibra di carburo di silicio.