Uppgötvaðu úrvals keramikvörur | Ending & Elegance United | Háþróuð keramik
Titill: Óbrjótanlegir draumar: Kísilkarbíðtrefjastyrkt kísilnítríð samsett efni taka flugið
(Rannsóknarframfarir á kísilkarbíðtrefjastyrktum kísilnítríð keramikblöndum (Cmc))
Lykilvöruleitarorð: Kísilkarbíðtrefjastyrkt kísilnítríð keramikgrunnsefni (CMC).
Bloggsíða: .
Hugsaðu þér vöru sem er nógu krefjandi til að hlæja í hraunheitum hita. Nógu sterk til að þola ótrúlegt álag. Nógu létt til að rísa með himninum. Þetta er ekki lengur vísindaskáldskapur. Kísilkarbíðtrefjastyrkt kísilnítríð keramikblöndur, eða SiC/Si3N4 CMC í stuttu máli, eru að gera þennan draum að veruleika. Munið ekki eftir brothættum gömlum keramikefnum. Þetta er framtíðarkynslóðin, hönnuð fyrir öfgar. Við skulum skoða spennandi þróunina sem breytir þessum samsettum efnum úr rannsóknarstofuundrum í byltingarkennda hluti í raunveruleikanum.
1. Hvað nákvæmlega eru SiC/Si3N4 keramik samsett efni?
Mynd af þessu. Örsmáar, ótrúlega harðar kísilkarbíðþræðir (SiC). Líttu á þá sem örsmáa stálþræði, en miklu léttari og miklu hitaþolnari. Ímyndaðu þér nú að setja heilan hóp af þessum þráðum í einstakt keramik „lím“ úr kísilnítríði (Si3N4). Þetta lím er grunnurinn. Saman mynda þeir SiC/Si3N4 CMC.
Galdurinn á sér stað vegna þess að trefjarnar og grunnefnið vinna saman sem teymi. Hreint kísillnítríð keramik er erfitt en samt brothætt. Það brotnar auðveldlega undir spennu eða skyndilegum áhrifum. Þessar SiC trefjar líkja eftir beinagrind inni í efninu. Þegar sprunga reynir að breiðast út í gegnum keramikgrunnefnið lendir hún í trefjunum. Trefjarnar tengja sprunguna. Þær togna aðeins út. Þær taka í sig orkuna. Þetta kemur í veg fyrir að lítill rifa verði að hörmulegu bili. Útkoman? Efni sem viðheldur ofurkrafti keramiksins - framúrskarandi hitaþol, minni þykkt, styrk - en öðlast styrk. Það verður skemmdaþolið. Það þolir högg.
2. Af hverju allt þetta vesen? Freistandi aðdráttarafl SiC/Si3N4 CMCs.
Hvers vegna leggja vísindamenn og verkfræðingar svo mikla áherslu á þessi samsettu efni? Svarið er einfalt. Þau bjóða upp á sérstaka samsetningu eiginleika sem ekkert annað getur keppt við í öfgafullum aðstæðum.
Í fyrstu, hlýtt. Þessi efnasambönd þiðna ekki eða skemmast fyrr en hitastigið fer yfir 1400°C (2550°F) – miklu heitara en þotuhreyflar eða eldflaugastútar þola. Stál eins og ofurmálmblöndur breytast í mauk löngu fyrir þetta. Í öðru lagi eru þau einstaklega sterk og stíf miðað við þyngd sína. Léttari hlutar þýða mun hraðari flugvélar, áreiðanlegri vélar, lengri geimfarafjölda. Í þriðja lagi þola þau oxun. Heitar, ætandi lofttegundir? Engar áhyggjur. Yfirborð þeirra myndar öryggislag. Í fjórða lagi þola þau vel hitaáfall. Hugsaðu um hraðvirkar upphitunar- og kælingarlotur án þess að brotna. Í fimmta lagi, og síðast en ekki síst, þann styrk. Ólíkt hefðbundnu keramik sem skemmist, geta SiC/Si4N3 CMC-efni orðið fyrir höggi og haldið virkni sinni.
Þessi blanda gerir þær að kjörnum frambjóðendum til að ýta undir mörkin á svæðum þar sem bilun er ekki valkostur. Þær tryggja vélar sem ganga heitari og hreinni. Geimför sem komast betur í gegnum endurkomu. Kjarnorkuver sem ganga betur. Möguleikinn er verulegur.
3. Hvernig smíðum við nákvæmlega þessi ofurefni? Handverkið að búa til SiC/Si3N4 CMC-flísar.
Það er ekki einfalt að búa til þessi efnasambönd. Það er flókið og dýrt. Samt sem áður eru vísindamenn að taka stór skref. Meginhugmyndin er að fá þessar sterku SiC trefjar gallalaust inn í kísilnítríð fylkið. Nokkrar aðferðir eru nauðsynlegar:.
Ein dæmigerð aðferð er fjölliðuíferð og brennsla (e. Polymer Infiltration and Pyrolysis (PIP). Byrjað er með ofnum dúk eða formi úr SiC trefjum. Það er mettað í fljótandi fjölliðu sem inniheldur kísill og köfnunarefni. Síðan er það bakað við hita. Fjölliðan verður að kísillnítríð keramik, sem fyllir svæðin í kringum trefjarnar. Stundum er þetta bleyti- og bakunarferli endurtekið. Hægt og rólega myndast fylliefnið. Það er sértækt en tekur langan tíma.
Önnur aðferð er efnafræðileg gufusíun (CVI). Hér að neðan er SiC trefjaformið sett í sérstakt hitakerfi. Þú dælir inn gaskenndum efnum eins og kísil og köfnunarefni. Þessi lofttegundir bregðast við inni í heita ofninum. Þær setja kísilnítríð beint á trefjarnar og í bilin á milli þeirra. Það líkist því að stækka keramikgrunninn atóm fyrir atóm. CVI gefur mjög hreinar grunnefni en er einnig hægfara og dýrt.
Vísindamenn eru einnig að kanna mun hraðari aðferðir. Ein þeirra er bráðnun (e. Melt Infiltration, MI). Þú pakkar SiC trefjum með blöndu sem inniheldur kísilstálduft. Þú hitar það upp þar til kísillinn þiðnar. Brædda kísillinn hvarfast við köfnunarefnisgas eða önnur efni sem eru til staðar. Það myndar kísilnítríð í kringum trefjarnar. Það er hraðara en PIP eða CVI. En það er erfitt að stjórna svöruninni fullkomlega. Að fá kísillinn til að bregðast fullkomlega við án þess að skilja eftir hættulegar leifar er áskorun.
Markmiðið er alltaf það sama. Ná fram sterkri tengingu milli trefja og grunnefnis. Gakktu úr skugga um að grunnefnið umlyki hverja trefja fullkomlega. Komdu í veg fyrir að viðkvæmar trefjar skemmist við vinnslu. Lágmarka smágöt eða galla. Þetta er fyrsta flokks jafnvægisaðgerð.
4. Hvar munum við sjá þær? SiC/SiN4 CMC í notkun.
Ein áhugaverðasta notkunin er þar sem mikil hlýja mætir þörfinni fyrir léttleika og styrk. Geimferðafræðin er stóra framþróunin.
Gerum ráð fyrir þotuhreyflum. Vindmyllublöðum, hlífum og brennsluhólfum í vinsælustu hlutunum. Að skipta út þungum málmi og losna við SiC/Si3N4 CMC gerir það að verkum að vélarnar geta keyrt heitar. Heitari vélar þýða betri eldsneytisnýtingu. Meiri drifkraft. Minni loftmengun. Þetta er mikilvægt áhersluatriði fyrir fyrirtæki eins og GE og Rolls-Royce. Frumgerðir eru þegar í vinnslu.
Ferðalög í rými eru einnig frábær kostur. Fremri hliðar ofurhljóðfararfara og geimfara sem snúa aftur til jarðar standa frammi fyrir mikilli núningshitun. SiC/Si3N4 CMC-einingar þola þennan eld. Þær vernda bílinn. Eldflaugastútar og þrýstihólf njóta einnig góðs af þessu. Léttari stútar þýða að meiri farmur getur komist á braut um jörðu.
Handan himins kalla orkuframleiðslur fram. Gasrafstöðvar til orkuframleiðslu geta gengið við hærra hitastig með CMC íhlutum. Þetta bætir afköst. Brennir minna gas. Minnkar útblástur. Þeir eru einnig skoðaðir fyrir nýstárlegar kjarnorkuverþætti. Staðir sem krefjast styrks og geislunarþols við hita.
Iðnaðarnotkun er einnig til staðar. Háhita varmaskiptarar. Brennaraþættir. Hlutir fyrir hitara sem stjórna fljótandi málmum. Alls staðar þar sem erfiðar aðstæður krefjast vara sem gefast ekki upp.
5. Algengar spurningar: Svör við spurningum þínum um SiC/Si3N4 CMC.
Hversu heitt geta þau í raun orðið? SiC/Si3N4 CMC halda verðmætri seiglu sinni vel yfir 1400°C (2550°F) í lofti. Sumar þróaðar útgáfur stefna að 1500°C+ í verndandi andrúmslofti. Þetta er langt umfram ofurmálmblöndur (um 1150°C) og jafnvel sumar aðrar CMC.
Eru þær í raun óbrjótanlegar? Engin vara er sterk. En þær þola skemmdir. Ólíkt hefðbundnum keramikefnum sem brotna, stöðva trefjarnar brot í CMC. Það gæti skemmt á þínu svæði en veldur venjulega ekki því að allur hlutinn bilar samstundis. Þetta er gríðarlegur öryggishagur.
Hver er stærsti erfiðleikinn núna? Verð og framleiðsluhraði. Að búa til flókin form með PIP eða CVI er hægfara og kostnaðarsamt. Þíðingarferlið er mun hraðara en þarfnast miklu meiri fínpússunar. Að auka framleiðslu á áreiðanlegan hátt er lykilhindrun fyrir útbreiddri notkun.
Eru þær miklu betri en aðrar CMC-trefjar eins og SiC/SiC? Báðar eru frábærar! SiC/SiC (kísilkarbíðtrefjar í kísilkarbíðgrunni) þola mjög mikla hita og kjarnorkuviðnám. SiC/Si3N4 býður oft upp á betri oxunarþol við aðeins lægri ofurháan hita og getur stundum verið erfiðara. Það fer eftir sérstökum kröfum notkunarinnar.
(Rannsóknarframfarir á kísilkarbíðtrefjastyrktum kísilnítríð keramikblöndum (Cmc))
Hvenær verða þeir í bílnum/flugvélinni minni? Þú munt ekki sjá þá í venjulegum farartækjum. En í næstu kynslóð þotuhreyfla? Þeir eru nú þegar í takmörkuðum prófunarhlutum. Víðtækari notkun í atvinnuhreyflum er líklegast innan næsta áratugar. Ofurhljóðfæri og háþróaðar kjarnorkuver eru einnig möguleikar í náinni framtíð.