Sự tiến bộ không ngừng của công nghệ hàng không vũ trụ đặt ra những yêu cầu cực kỳ khắt khe về hiệu suất vật liệu. Vật liệu composite nền gốm (CMC), một thành tựu tiên tiến trong khoa học vật liệu hiện đại, đã nổi lên như một vật liệu hiệu suất cao chủ chốt. Với những đặc tính vượt trội như khả năng chịu nhiệt độ cao, mật độ thấp, cường độ và mô đun riêng cao, cùng độ ổn định hóa học tuyệt vời, CMC cho thấy tiềm năng ứng dụng to lớn trong lĩnh vực hàng không vũ trụ và đã trở thành một trong những trọng tâm nghiên cứu hiện nay. Việc hiểu sâu sắc về tình trạng hiện tại và triển vọng tương lai của CMC trong các ứng dụng hàng không vũ trụ có ý nghĩa to lớn trong việc thúc đẩy sự đổi mới hơn nữa trong công nghệ hàng không vũ trụ.
Khi khoa học và công nghệ phát triển, nghiên cứu hàng không vũ trụ tiếp tục hướng đến hiệu suất cao hơn và môi trường khắc nghiệt hơn, nơi vật liệu đóng vai trò hỗ trợ quan trọng. Nhờ những đặc tính độc đáo, vật liệu composite nền gốm đang dần trở thành một động lực quan trọng thúc đẩy những bước tiến công nghệ trong ngành hàng không.
Vật liệu composite nền gốm là vật liệu composite gồm ba thành phần: nền gốm, lớp gia cường và lớp trung gian. Khái niệm CMC lần đầu tiên được Giáo sư Roger Naslain tại Đại học Bordeaux, Pháp đề xuất vào những năm 1970. Là một giải pháp thay thế cho hợp kim kim loại truyền thống, CMC có nhiều ưu điểm khiến chúng phù hợp với nhiều cấu trúc khác nhau trong các ứng dụng hàng không vũ trụ:
Động cơ máy bay, "trái tim" của máy bay hiện đại, luôn nỗ lực cải tiến khả năng chịu nhiệt độ cao, giảm trọng lượng và độ bền. Các siêu hợp kim gốc niken thông thường bị giới hạn bởi điểm nóng chảy và mật độ, đồng thời gặp khó khăn trong việc đáp ứng tỷ lệ lực đẩy trên trọng lượng cực đại và nhu cầu tiết kiệm nhiên liệu của động cơ thế hệ tiếp theo. Với khả năng chịu nhiệt độ cao vượt trội, mật độ thấp và khả năng chống sốc nhiệt, CMC đang nổi lên như một giải pháp thay thế mang tính cách mạng cho các hợp kim truyền thống trong các bộ phận động cơ đầu nóng. Từ vòi phun và các bộ phận đốt cháy đến các bộ phận tua-bin, CMC đã định nghĩa lại ranh giới thiết kế động cơ và thúc đẩy hệ thống đẩy hướng tới hiệu suất cao hơn và tính bền vững với môi trường. Những đột phá kỹ thuật gần đây cho thấy vật liệu động cơ máy bay đã chính thức bước vào "kỷ nguyên gốm".
Vật liệu composite C/SiC và SiC/SiC sở hữu độ bền cao, khả năng chống oxy hóa và chống sốc nhiệt tuyệt vời trong điều kiện khắc nghiệt, lý tưởng cho các bộ phận kết cấu chịu nhiệt độ cao. Ví dụ, động cơ nhiên liệu lỏng Ariane HM7 của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu sử dụng C/SiC cho phần mở rộng vòi phun, hoạt động ở áp suất buồng đốt 3,5 MPa và nhiệt độ lên đến 3350 K, với hơn 1.600 giây thử nghiệm trong điều kiện đầy đủ. Việc theo dõi hiệu suất cho thấy khả năng chống mài mòn tuyệt vời mà không phát hiện thấy tổn thất vật liệu hoặc suy giảm cấu trúc, vượt trội hơn các vật liệu mài mòn truyền thống.
Công ty hàng không vũ trụ Pháp Safran, nhờ những đột phá trong kỹ thuật giao diện, đã phát triển vật liệu CMC tự phục hồi được gia cố bằng sợi SiC hiệu suất cao và lớp bảo vệ oxy hóa boron nitride, giải quyết thành công hư hỏng vật liệu trong môi trường oxy hóa cao. Safran và Pratt & Whitney đã cùng nhau thử nghiệm một đoạn gioăng CMC-SiC trên dòng động cơ F100, đã vượt qua 1.300 giờ thử nghiệm—bao gồm 100 giờ ở 1.200°C—chứng minh độ tin cậy vượt trội ở nhiệt độ cao. Đoạn gioăng mới này chỉ nặng 50%–60% so với đoạn gioăng kim loại tương tự, đồng thời mang lại hiệu suất chịu mỏi nhiệt vượt trội và tuổi thọ dài hơn.
Buồng đốt phải đối mặt với các môi trường vận hành khắc nghiệt, bao gồm sự xói mòn khí ở nhiệt độ cao, tải trọng cơ học nhiệt tuần hoàn, ăn mòn hơi nước và oxy, và các cú sốc nhiệt ở mức mili giây. Các bộ phận chính như ống lửa và ống lót - các cấu trúc quay có thành mỏng lớn - là các thành phần chịu tải tĩnh dưới tải trọng vừa phải. Việc sử dụng CMC đúng cách có thể cải thiện đáng kể khả năng thích ứng với nhiệt độ cao, giảm trọng lượng kết cấu và độ bền môi trường. Ví dụ, ống lót SiCf/SiC đã trải qua quá trình xác thực toàn bộ vòng đời và đã được đưa vào ứng dụng thực tế trong nhiều động cơ trên toàn thế giới. Chương trình Công nghệ Động cơ Tuabin Hiệu suất Cao Tích hợp (IHPTET) của Hoa Kỳ đã thử nghiệm SiCf/SiC với lớp phủ chắn môi trường (EBC) cho ống lót, đạt 15.000 giờ ở nhiệt độ lên đến 1.200°C đồng thời cắt giảm lượng khí thải NOx và CO.
Các CMC oxit như vật liệu composite nền Al₂O₃, với độ dẫn nhiệt thấp và khả năng chịu sốc nhiệt cao, cũng đã được sử dụng trong lớp lót. Nhóm của Giáo sư Zok tại Đại học California đã phát triển các CMC nền mullite và alumina xốp hình dạng phức tạp bằng cách sử dụng phương pháp thẩm thấu sol-gel và trùng hợp tại chỗ, được gia cố bằng sợi Nextel 720.
Với tỷ lệ lực đẩy trên trọng lượng ngày càng tăng, các cấu trúc cánh tua-bin hiện có, hợp kim chịu nhiệt và lớp phủ chắn nhiệt phải đối mặt với những hạn chế về hiệu suất làm mát và độ bền cơ học, cản trở khả năng đáp ứng nhu cầu vận hành tải trọng cao, tuổi thọ cao trong điều kiện khắc nghiệt.
Dự án động cơ F414 của GE đã thử nghiệm cánh dẫn hướng tuabin và cánh rotor CMC-SiC trong 500 chu kỳ động cơ hoàn chỉnh. So với cánh quạt làm mát truyền thống, cánh quạt không làm mát SiCf/SiC đã cải thiện đáng kể khả năng chịu nhiệt và được ứng dụng lần đầu tiên trên các biến thể động cơ F136 sau này. Nghiên cứu về cánh dẫn hướng tuabin và cánh rotor CMC-SiC vẫn đang được tiếp tục, với các chương trình EPM và UEET của Hoa Kỳ đang phát triển các sợi gốm mới, công nghệ giao diện, phương pháp làm đặc ma trận và lớp phủ EBC tiên tiến.
Tại Trung Quốc, Đại học Bách khoa Tây Bắc đã sản xuất thành công cánh dẫn hướng tuabin SiC/SiC áp suất cao bằng phương pháp CVD, trong khi Viện Nghiên cứu Vật liệu AECC đã phát triển cánh dẫn hướng tuabin SiCf/SiC bằng phương pháp thẩm thấu nóng chảy phản ứng. Đại học Beihang đã so sánh siêu hợp kim gốc niken với CMC cho tuabin áp suất thấp của động cơ tuabin phản lực cánh quạt F119-PW-100, thiết kế một cánh quạt rotor rắn mới không làm mát. Cánh quạt cải tiến này loại bỏ hệ thống làm mát truyền thống phức tạp, giảm một nửa tải trọng bên ngoài lên đĩa tuabin và cải thiện hiệu suất tuabin từ 0,98% đến 1,17%.
Nhờ hiệu suất chịu nhiệt độ cao vượt trội, trọng lượng nhẹ và khả năng chống sốc nhiệt, CMC đang trở thành vật liệu cốt lõi cho các bộ phận kết cấu máy bay, đặc biệt là ở những vùng có nhiệt độ cao như mép trước cánh.
Mép trước cánh của máy bay X-37B của Hoa Kỳ là một trong những loại đầu tiên sử dụng gạch gốm chống oxy hóa sợi nguyên khối gia cường. Loại gạch này kết hợp gốm xốp gốc carbon và gốc silicon, mang lại khả năng chịu nhiệt độ cao và cách nhiệt hiệu quả, chịu được nhiệt độ khắc nghiệt lên đến 1.697°C mà vẫn duy trì tính toàn vẹn của cấu trúc. Các cánh tà và cánh phụ được làm bằng vật liệu composite C/SiC với ma trận SiC được gia cố bằng sợi carbon cấp T-300, được làm đặc bằng công nghệ thẩm thấu hơi hóa học (CVI) và được bảo vệ bằng các tấm EBC gốc SiC để chịu được nhiệt độ khí động học cực đại ở tốc độ lên đến Mach 25.
Phòng thí nghiệm Trọng điểm Quốc gia Trung Quốc về Vật liệu Composite Kết cấu Nhiệt độ Siêu cao tại Đại học Bách khoa Tây Bắc đã đạt được những đột phá trong ứng dụng kỹ thuật của CMC tiên tiến. Vật liệu composite Cf/SiC do phòng thí nghiệm tự phát triển đã thay thế các bộ phận đầu nóng quan trọng trên máy bay. Bằng cách tối ưu hóa thiết kế phôi sợi và quy trình CVI, họ đã đạt được quy trình sản xuất tích hợp các bộ phận phức tạp như mép trước cánh và chóp mũi, những bộ phận đã được triển khai thành công trên máy bay.
Việc sử dụng CMC cũng đang được mở rộng sang khung thân máy bay, đặc biệt là khi cần khả năng chịu nhiệt độ cao và thiết kế nhẹ. Ví dụ, tàu vũ trụ IXV của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu sử dụng hệ thống bảo vệ nhiệt C/SiC tích hợp với các tấm CMC có độ cứng cao, chịu nhiệt độ cao để chịu được dòng plasma mạnh trong quá trình tái nhập, duy trì tính toàn vẹn của cấu trúc thông qua quy trình dệt sợi và làm đặc ma trận được tối ưu hóa.
Với khả năng chịu nhiệt độ cao, mật độ thấp, cường độ và mô đun riêng cao, CMC đã trở thành vật liệu hàng không vũ trụ mang tính cách mạng. Hiệu suất của chúng phụ thuộc vào nền gốm, loại cốt thép và quy trình chế tạo. Các hệ thống vật liệu và kỹ thuật xử lý khác nhau mang lại các đặc tính vật lý và hóa học độc đáo, cho phép ứng dụng rộng rãi trên nhiều bộ phận hàng không vũ trụ khác nhau.
Tuy nhiên, việc ứng dụng trên quy mô lớn vẫn còn gặp phải nhiều thách thức:
Khi công nghệ hàng không vũ trụ phát triển, nhu cầu về CMC đa chức năng sẽ tiếp tục tăng, thúc đẩy sự phát triển của CMC thế hệ tiếp theo kết hợp khả năng chịu tải kết cấu, bảo vệ nhiệt, che chắn điện từ, v.v.
