Sợi silicon carbide hiệu suất cao mới

Sợi silicon carbide có ưu điểm là khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao, độ cứng cao, độ bền cao, độ ổn định nhiệt cao, khả năng chống ăn mòn và mật độ thấp. Đây là một trong những vật liệu lý tưởng nhất cho hàng không vũ trụ về khả năng chịu nhiệt độ cao, gia cường và tàng hình. Nó cũng có tiết diện hấp thụ neutron nhỏ, do đó có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực hàng không, vũ trụ, năng lượng hạt nhân và các lĩnh vực khác.

Tỷ số lực đẩy trên trọng lượng cao là mục tiêu mà các động cơ hàng không vũ trụ tiên tiến không ngừng theo đuổi. Khi tỷ số lực đẩy trên trọng lượng của động cơ tăng lên, nhiệt độ đầu vào của tua-bin tiếp tục tăng và hệ thống vật liệu hợp kim nhiệt độ cao hiện có khó đáp ứng được các yêu cầu của động cơ hàng không vũ trụ tiên tiến. Ví dụ, nhiệt độ đầu vào của tua-bin của các động cơ hiện có với tỷ số lực đẩy trên trọng lượng là 10 đã đạt tới 1500°C và nhiệt độ đầu vào tua-bin trung bình của các động cơ có tỷ số lực đẩy trên trọng lượng từ 12 đến 15 sẽ vượt quá 1800°C, vượt xa nhiệt độ sử dụng của hợp kim nhiệt độ cao và hợp chất liên kim loại. Hiện tại, nhiệt độ làm việc của vật liệu hợp kim nhiệt độ cao gốc niken có khả năng chịu nhiệt tốt nhất chỉ có thể đạt khoảng 1100°C. Nhiệt độ hoạt động của SiCf/SiC có thể tăng lên tới 1650°C và được coi là vật liệu thành phần cấu trúc đầu nóng lý tưởng nhất của động cơ hàng không vũ trụ.

Ở các nước hàng không phát triển như Châu Âu và Hoa Kỳ, SiCf/SiC đã được ứng dụng thực tế và sản xuất hàng loạt trong các bộ phận tĩnh của động cơ máy bay, bao gồm M53-2, M88, M88-2, F100, F119, EJ200, F414, F110, F136 và các mẫu khác. Động cơ máy bay quân sự/dân dụng.

Mặc dù đất nước tôi đã đưa nghiên cứu ứng dụng công nghệ composite nền gốm silicon carbide (CMC-SiC) vào danh sách trọng điểm phát triển từ những năm 1980, và vào tháng 1 năm 2022, động cơ hàng không vũ trụ do NPU chế tạo sử dụng vật liệu composite nền gốm mới trong nước đã hoàn thành thành công chuyến bay thử nghiệm đầu tiên. Đây cũng là chuyến bay thử nghiệm đầu tiên trên không của nền tảng lắp ráp rotor composite nền gốm trong nước, đánh dấu một bước đột phá quan trọng khác trong công nghệ chủ chốt của động cơ hàng không của chúng tôi. Tuy nhiên, cho đến nay, phạm vi ứng dụng và thời gian đánh giá tích lũy của CMC-SiC ở nước tôi còn rất hạn chế, và còn một khoảng cách rất lớn so với nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật của nước ngoài.

Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ vô tuyến hiện đại và hệ thống phát hiện radar, công nghệ tàng hình, như một phương tiện hiệu quả để cải thiện khả năng sống sót và khả năng xuyên phá của các hệ thống vũ khí, đặc biệt là khả năng tấn công sâu, đã trở thành chủ đề nóng giữa các cường quốc quân sự cạnh tranh vũ khí công nghệ cao. Việc sử dụng công nghệ vật liệu tàng hình hiện là phương tiện hiệu quả và khả thi nhất để tàng hình radar. Đối với vật liệu tàng hình được sử dụng trong các môi trường đặc biệt, ngoài việc giảm các điều kiện cơ bản như khả năng bị phát hiện, vật liệu còn được yêu cầu phải có độ ổn định nhiệt và khả năng chống ăn mòn tốt. Ví dụ, vòi phun đuôi động cơ, mép cánh và các bộ phận khác của máy bay chiến đấu tàng hình bay tốc độ cao sẽ phải đối mặt với thử nghiệm oxy hóa ở nhiệt độ cao và va chạm liên tục ở nhiệt độ cao và thấp. SiCf/SiC không chỉ có các đặc tính cơ học tuyệt vời, khả năng chống oxy hóa và tuổi thọ sử dụng ở nhiệt độ cao dài hơn mà còn có đặc tính hấp thụ sóng tốt, đáp ứng các yêu cầu của các bộ phận chịu nhiệt độ cao của vũ khí và thiết bị như bề mặt máy bay siêu thanh, vòi phun đuôi động cơ và mũi tên lửa hành trình. Yêu cầu tàng hình, triển vọng ứng dụng rộng rãi.

Với sự chú trọng ngày càng tăng về các vấn đề an toàn lò phản ứng, hầu hết các bộ phận đốt hợp kim zirconium được sử dụng trong các nhà máy điện hạt nhân lò phản ứng nước thương mại hiện nay đã được xem xét lại, và các bộ phận nhiên liệu mới sử dụng silicon carbide làm vật liệu bọc hoặc vật liệu nền đã trở thành một điểm nóng nghiên cứu mới. Các bộ phận nhiên liệu là thành phần cốt lõi của lò phản ứng hạt nhân, và các chỉ số hiệu suất của chúng ảnh hưởng trực tiếp đến sự an toàn và tính kinh tế của lò phản ứng. SiCf có các đặc tính tuyệt vời như độ bền nhiệt độ cao, độ cứng cao, khả năng chống mài mòn tốt, khả năng chống sốc nhiệt tốt, độ dẫn nhiệt cao, khả năng chống oxy hóa mạnh và khả năng chống ăn mòn hóa học, cùng với tiết diện hấp thụ neutron nhỏ, hoạt động và nhiệt phân rã vốn có thấp khiến nó phù hợp với lĩnh vực lò phản ứng hạt nhân và có triển vọng ứng dụng tốt trong các lò phản ứng nước nhẹ, lò phản ứng muối nóng chảy và lò phản ứng nhanh làm mát bằng khí.

Trong hơn 40 năm kể từ khi ra đời, sợi SiC đã phát triển nhanh chóng. Theo thành phần và cấu trúc sợi khác nhau, sợi SiC có thể được chia thành sợi thế hệ thứ nhất, thứ hai và thứ ba. Thế hệ thứ nhất là sợi silicon carbide có hàm lượng carbon oxy cao, thế hệ thứ hai là sợi silicon carbide có hàm lượng oxy thấp và carbon cao, thế hệ thứ ba là sợi silicon carbide có tỷ lệ gần đúng với tỷ lệ thành phần hóa học. Trong quá trình phát triển sợi SiC, các quốc gia như Nhật Bản và Hoa Kỳ luôn chủ động cạnh tranh.

Vào những năm 1980, đất nước chúng tôi nhận thấy sợi silicon carbide là một vật liệu mới có giá trị ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực hàng không vũ trụ nên đã bắt đầu từ sớm, lên kế hoạch trước và tổ chức đặc biệt các nhà nghiên cứu khoa học có liên quan từ Đại học Công nghệ Quốc phòng Quốc gia để thành lập nhóm nghiên cứu sợi SiC.

Sau năm 2000, đất nước tôi bước vào giai đoạn nghiên cứu ứng dụng thế hệ sợi SiC đầu tiên và bắt đầu quá trình nghiên cứu và phát triển công nghiệp các sợi SiC do chính mình phát triển.

Năm 2005, với sự thúc đẩy của chính quyền tỉnh Giang Tô và thành phố Tô Châu, việc phát triển công nghiệp sợi silicon carbide liên tục chịu nhiệt độ cao đã được triển khai, và một đội ngũ nghiên cứu khoa học hùng hậu đã được thành lập. Thông qua nỗ lực không ngừng và nghiên cứu phát triển độc lập, các thiết bị cốt lõi chủ chốt đã được tự sản xuất và trở thành công ty trong nước đầu tiên đạt được sản lượng sợi silicon carbide liên tục, phá vỡ sự phong tỏa kỹ thuật lâu dài và độc quyền sản phẩm của Nhật Bản, Hoa Kỳ và các quốc gia khác đối với loại vật liệu nhạy cảm về quân sự này.

Trong 10 năm qua, sự phát triển của động cơ hàng không vũ trụ đã đặt ra nhu cầu rõ ràng về sợi SiC liên tục chịu nhiệt độ cao, trực tiếp thúc đẩy sự phát triển của công nghệ kỹ thuật cho sợi SiC thế hệ thứ hai và thứ ba.

Để khắc phục những hạn chế của sợi SiC thế hệ đầu tiên về hàm lượng oxy cao, khiến nhiệt độ sử dụng lâu dài trong không khí không vượt quá 1050°C, Đại học Công nghệ Quốc phòng Quốc gia đã triển khai nghiên cứu công nghệ then chốt về sợi SiC thế hệ thứ hai. Đồng thời, duy trì khả năng phản ứng của polycarbosilane, bằng cách tối ưu hóa thành phần và cấu trúc của polycarbosilane, chúng tôi đã đạt được bước đột phá trong việc tổng hợp polycarbosilane có điểm mềm cao với khả năng kéo sợi tốt và công nghệ xử lý không nóng chảy không chứa oxy, đồng thời tối ưu hóa quy trình nung sơ bộ và nung cuối. Nắm vững công nghệ chế tạo sợi SiC liên tục thế hệ thứ hai với quyền sở hữu trí tuệ độc lập.

Trong thời kỳ "Kế hoạch 5 năm lần thứ 12", tổng cộng hơn 600 kg sợi và vải SiC liên tục thế hệ thứ 2 đã được cung cấp cho AVIC, Tập đoàn Khoa học và Công nghệ Hàng không Vũ trụ và các đơn vị sử dụng khác, ban đầu đáp ứng nhu cầu cấp thiết về sợi SiC liên tục thế hệ thứ 2 cho động cơ hàng không vũ trụ tiên tiến và các loại động cơ khác.

Cho đến nay, sợi SiC liên tục đã có những tiến bộ vượt bậc về chủng loại sản phẩm, hiệu suất và sản lượng, bước đầu đã phá vỡ hàng loạt các biện pháp phong tỏa của nước ngoài áp đặt lệnh cấm vận đối với công nghệ chế tạo, thiết bị xử lý và sản phẩm sợi SiC liên tục.

Để cải thiện hơn nữa hiệu suất nhiệt độ cao của sợi SiC trong nước, Đại học Công nghệ Quốc phòng Quốc gia đã khởi động quá trình phát triển sợi SiC thế hệ thứ ba. Các sợi thế hệ thứ ba do Đại học Công nghệ Quốc phòng Quốc gia phát triển chủ yếu bao gồm KD-S và KD-SA. Loại trước chủ yếu được sử dụng trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân tiên tiến, và loại sau chủ yếu được sử dụng trong các vật liệu kết cấu nhiệt độ cao. Sợi KD-S sử dụng phương pháp hydrocalcining để loại bỏ cacbon, có thành phần gần như tỷ lệ lượng và có độ bền kéo lớn hơn 2,5GPa. Sợi KD-SA áp dụng một lộ trình chế tạo tương tự như sợi Tyranno SA. Tiền chất polyaluminocarbosilane được chế tạo từ polycarbosilane có trọng lượng phân tử thấp và nhôm acetylacetonate hoặc nhôm clorua. Sợi KD-SA đã có những tiến bộ vượt bậc và có độ bền cao. Lớn hơn 2,2GPa, mô đun kéo đạt 380GPa. Ngoài ra, để đáp ứng nhu cầu về vật liệu kết cấu tàng hình ở nhiệt độ cao, Đại học Công nghệ Quốc phòng Quốc gia cũng đã tiến hành nghiên cứu về sợi hấp thụ.

Trong những năm gần đây, nhiều đơn vị đã bắt đầu tham gia nghiên cứu và sản xuất sợi silicon carbide. Họ cũng đã xây dựng một nền tảng thiết bị nghiên cứu thí điểm cho sợi SiC liên tục và phát triển sợi SiC thế hệ thứ hai bằng công nghệ liên kết ngang chiếu xạ chùm tia điện tử. Phương pháp khử H2 đã được sử dụng để nghiên cứu chế tạo sợi với tỷ lệ gần đúng tỷ lệ thành phần bằng cách sử dụng quy trình chế tạo tương tự như sợi Hi-Nicalon S của Nhật Bản. Các mẫu sợi SiC liên tục đã được sản xuất. Đồng thời, một quy trình tương tự như Tyranno SA cũng đã được sử dụng để chế tạo sợi Si-Al-C. Nghiên cứu sơ bộ.

Được thúc đẩy bởi những lợi ích kinh tế và xã hội của sợi SiC liên tục, các công ty cũng đã bắt đầu tham gia phát triển sợi SiC liên tục và phát triển các sản phẩm sợi SiC liên tục. Hiện tại, sản lượng sợi SiC liên tục thế hệ đầu tiên đạt đến hàng tấn đã đạt được.

Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ hiện đại hóa quốc phòng, sức mạnh quân sự và công nghệ vũ khí, sợi hiệu suất cao đã phát triển nhanh chóng trong nhiều lĩnh vực. Là đại diện của sợi hiệu suất cao, sợi silicon carbide có khả năng chịu nhiệt độ cao, chống ăn mòn và hấp thụ sóng tuyệt vời, đã nhận được sự quan tâm rộng rãi.

Mặc dù chúng ta đã bị công nghệ cản trở trong nhiều thập kỷ, nhưng may mắn thay, chúng ta chưa bao giờ bỏ cuộc trong việc bắt kịp. Hiện tại, một số trình độ công nghệ chế tạo sợi silicon carbide của nước ta đã gần đạt đến trình độ tiên tiến quốc tế, nhưng nhìn chung, vẫn còn một khoảng cách nhất định giữa nước ta và nước ngoài, đặc biệt là trong việc hiện thực hóa sản xuất công nghiệp. Sợi silicon carbide là vật liệu dự trữ chiến lược quốc gia mới, và đất nước đang tăng cường triển khai và đầu tư. Tin tưởng rằng trong tương lai gần, nước ta sẽ dần nắm vững công nghệ cốt lõi của sợi silicon carbide và hiện thực hóa sản xuất sợi silicon carbide công nghiệp.