Neue Hochleistungsfaser – Siliziumkarbidfaser

Siliziumkarbidfasern zeichnen sich durch hohe Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen, hohe Härte, hohe Festigkeit, hohe thermische Stabilität, Korrosionsbeständigkeit und geringe Dichte aus. Sie zählen zu den idealen Materialien für die Luft- und Raumfahrt, da sie hochtemperaturbeständig, verstärkend und widerstandsfähig sind. Da sie zudem einen geringen Neutronenabsorptionsquerschnitt aufweisen, bieten sie breite Anwendungsmöglichkeiten in der Luft- und Raumfahrt, der Kernenergie und anderen Bereichen.

Ein hohes Schub-Gewichts-Verhältnis ist das Ziel, das moderne Triebwerke für die Luft- und Raumfahrt ständig verfolgen. Mit zunehmendem Schub-Gewichts-Verhältnis des Triebwerks steigt auch die Turbineneintrittstemperatur weiter an, und bestehende Hochtemperaturlegierungen können die Anforderungen moderner Triebwerke nur schwer erfüllen. Beispielsweise liegt die Turbineneintrittstemperatur bestehender Triebwerke mit einem Schub-Gewichts-Verhältnis von 10 bei 1500 °C, während die durchschnittliche Turbineneintrittstemperatur von Triebwerken mit einem Schub-Gewichts-Verhältnis von 12 bis 15 über 1800 °C liegt, was weit über der Einsatztemperatur von Hochtemperaturlegierungen und intermetallischen Verbindungen liegt. Derzeit erreicht die Arbeitstemperatur von nickelbasierten Hochtemperaturlegierungen mit der besten Hitzebeständigkeit nur etwa 1100 °C. Die Betriebstemperatur von SiCf/SiC kann auf 1650 °C erhöht werden und gilt als idealer Werkstoff für Hot-End-Strukturkomponenten von Triebwerken für die Luft- und Raumfahrt.

In entwickelten Luftfahrtländern wie Europa und den Vereinigten Staaten wird SiCf/SiC in statischen Teilen von Flugzeugtriebwerken praktisch verwendet und in Massenproduktion hergestellt, darunter M53-2, M88, M88-2, F100, F119, EJ200, F414, F110, F136 und andere Modelle. Militärische/zivile Flugzeugtriebwerke.

Obwohl mein Land die Anwendungstechnologieforschung für Siliziumkarbid-Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe (CMC-SiC) seit den 1980er Jahren als wichtigen Entwicklungsbereich ansieht, hat im Januar 2022 ein von der NPU unter Verwendung neuer inländischer Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe gebautes Triebwerk mit integrierter Turbinenscheibe seinen ersten Testflug erfolgreich absolviert. Dies ist zugleich der erste inländische Flugtest einer Rotormontageplattform aus Keramikmatrix-Verbundwerkstoffen und markiert einen weiteren wichtigen Durchbruch in der Schlüsseltechnologie unseres Triebwerks. Bisher sind der Anwendungsbereich und die kumulative Bewertungszeit von CMC-SiC in meinem Land jedoch sehr begrenzt, und es besteht eine große Lücke zur ausländischen Anwendungsforschung im Ingenieurwesen.

Mit der rasanten Entwicklung moderner Funktechnologie und Radarerkennungssysteme ist Stealth-Technologie als wirksames Mittel zur Verbesserung der Überlebens- und Durchschlagskraft von Waffensystemen, insbesondere der Tiefschlagskraft, zu einem heiß diskutierten Thema unter den um Hightech-Rüstungen konkurrierenden Militärmächten geworden. Der Einsatz von Stealth-Materialtechnologie ist derzeit die effektivste und praktikabelste Methode zur Radar-Stealth-Technologie. Stealth-Materialien, die in speziellen Umgebungen eingesetzt werden, müssen neben der Reduzierung grundlegender Anforderungen wie der Erkennbarkeit auch eine gute thermische Stabilität und Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Beispielsweise werden Triebwerksdüsen, Flügelkanten und andere Teile von schnell fliegenden Stealth-Kampfflugzeugen hohen Temperaturen und wiederholten hohen und niedrigen Temperaturen ausgesetzt. SiCf/SiC verfügt nicht nur über hervorragende mechanische Eigenschaften, Oxidationsbeständigkeit und eine lange Lebensdauer bei hohen Temperaturen, sondern auch über gute Wellenabsorptionseigenschaften. Dadurch werden die Anforderungen an hochtemperaturbeständige Teile von Waffen und Ausrüstung wie Oberflächen von Überschallflugzeugen, Triebwerksdüsen und Marschflugkörperspitzen erfüllt. Stealth-Anforderungen, breite Anwendungsperspektiven.

Angesichts der zunehmenden Bedeutung von Reaktorsicherheit wurden nahezu alle in kommerziellen Wasserreaktoren eingesetzten Brennelemente aus Zirkoniumlegierungen einer Überprüfung unterzogen. Neue Brennelemente mit Siliziumkarbid als Mantel- oder Matrixmaterial sind zu einem wichtigen Forschungsschwerpunkt geworden. Brennelemente sind die Kernkomponenten von Kernreaktoren, und ihre Leistung wirkt sich direkt auf die Sicherheit und Wirtschaftlichkeit des Reaktors aus. SiCf verfügt über hervorragende Eigenschaften wie hohe Temperaturfestigkeit, hohe Härte, gute Verschleißfestigkeit, gute Thermoschockbeständigkeit, hohe Wärmeleitfähigkeit, hohe Oxidations- und chemische Korrosionsbeständigkeit. Aufgrund seines geringen Neutronenabsorptionsquerschnitts, seiner geringen inhärenten Aktivität und Zerfallswärme eignet es sich für den Einsatz in Kernreaktoren und bietet gute Anwendungsaussichten in Leichtwasserreaktoren, Salzschmelzereaktoren und gasgekühlten schnellen Reaktoren.

SiC-Fasern haben sich in den letzten 40 Jahren seit ihrer Einführung rasant entwickelt. Je nach Faserzusammensetzung und -struktur lassen sie sich in Fasern der ersten, zweiten und dritten Generation unterteilen. Die erste Generation besteht aus Siliziumkarbidfasern mit hohem Sauerstoff- und Kohlenstoffgehalt, die zweite aus Siliziumkarbidfasern mit niedrigem Sauerstoff- und hohem Kohlenstoffgehalt und die dritte aus Siliziumkarbidfasern mit nahezu stöchiometrischem Verhältnis. Länder wie Japan und die USA haben bei der Entwicklung von SiC-Fasern stets die Initiative ergriffen und konkurrierende Ansätze verfolgt.

In den 1980er Jahren erkannte unser Land, dass Siliziumkarbidfasern als neues Material einen potenziellen Anwendungswert in der Luft- und Raumfahrt haben. Daher begann es frühzeitig, plante im Voraus und organisierte speziell entsprechende wissenschaftliche Forscher der National University of Defense Technology, um eine SiC-Faser-Forschungsgruppe zu gründen.

Nach dem Jahr 2000 trat mein Land in die Phase der Anwendungsforschung der ersten Generation von SiC-Fasern ein und begann mit der mühsamen Forschung und industriellen Entwicklung unabhängig entwickelter SiC-Fasern.

Im Jahr 2005 wurde mit Unterstützung der Provinz Jiangsu und der Stadtverwaltung von Suzhou die industrielle Entwicklung hochtemperaturbeständiger kontinuierlicher Siliziumkarbidfasern vorangetrieben und ein starkes wissenschaftliches Forschungsteam gebildet. Durch harte Arbeit und unabhängige Forschung und Entwicklung wurde die wichtigste Kernausrüstung selbst hergestellt und es wurde zum ersten inländischen Unternehmen, das eine kontinuierliche Produktion von Siliziumkarbidfasern erreichte und damit die langjährige technische Blockade und das Produktmonopol Japans, der USA und anderer Länder auf diese Art militärisch sensibler Materialien durchbrach.

In den letzten zehn Jahren hat die Entwicklung von Luft- und Raumfahrttriebwerken einen klaren Bedarf an hochtemperaturbeständigen kontinuierlichen SiC-Fasern hervorgerufen, was die Entwicklung der Ingenieurtechnologie für SiC-Fasern der zweiten und dritten Generation direkt gefördert hat.

Als Reaktion auf die Mängel des hohen Sauerstoffgehalts der SiC-Fasern der ersten Generation, der verhindert, dass die Langzeitgebrauchstemperatur an der Luft 1050 °C überschreitet, startete die Nationale Universität für Verteidigungstechnologie (NTU) eine Schlüsseltechnologieforschung zur SiC-Faser der zweiten Generation. Unter Beibehaltung der Reaktivität von Polycarbosilan und durch Optimierung von Zusammensetzung und Struktur des Polycarbosilans sind uns Durchbrüche bei der Synthese von Polycarbosilan mit hohem Erweichungspunkt, guter Spinnbarkeit und sauerstofffreier, nichtschmelzender Behandlungstechnologie gelungen. Zudem wurden die Vorbrenn- und Endbrennprozesse optimiert. Die kontinuierliche SiC-Faserherstellungstechnologie der zweiten Generation wurde mit unabhängigen geistigen Eigentumsrechten perfektioniert.

Während des Zeitraums des „Zwölften Fünfjahresplans“ wurden AVIC, der Aerospace Science and Technology Group und anderen Anwendereinheiten insgesamt mehr als 600 Kilogramm kontinuierliche SiC-Fasern und -Gewebe der zweiten Generation zur Verfügung gestellt, womit zunächst der dringende Bedarf an kontinuierlichen SiC-Fasern der zweiten Generation für moderne Luft- und Raumfahrttriebwerke und anderes gedeckt wurde.

Bislang wurden bei kontinuierlichen SiC-Fasern hinsichtlich Produkttypen, Leistung und Produktion große Fortschritte erzielt. Zudem wurde eine Reihe ausländischer Blockademaßnahmen durchbrochen, die ein Embargo auf die Herstellungstechnologie, die Prozessausrüstung und die Produkte kontinuierlicher SiC-Fasern verhängten.

Um die Hochtemperaturleistung inländischer SiC-Fasern weiter zu verbessern, hat die National University of Defense Technology mit der Entwicklung von SiC-Fasern der dritten Generation begonnen. Zu den von der National University of Defense Technology entwickelten Fasern der dritten Generation gehören hauptsächlich KD-S und KD-SA. Erstere wird hauptsächlich im Bereich der fortschrittlichen Kernenergie eingesetzt, letztere hauptsächlich in Hochtemperatur-Strukturmaterialien. KD-S-Fasern werden durch Hydrokalzinierung von Kohlenstoff befreit, haben eine nahezu stöchiometrische Zusammensetzung und eine Zugfestigkeit von über 2,5 GPa. KD-SA-Fasern werden ähnlich wie Tyranno-SA-Fasern hergestellt. Das Vorprodukt Polyaluminocarbosilan wird aus niedermolekularem Polycarbosilan und Aluminiumacetylacetonat oder Aluminiumchlorid hergestellt. KD-SA-Fasern haben große Fortschritte gemacht und verfügen über eine hohe Festigkeit. Ihr Zugmodul beträgt über 2,2 GPa und erreicht 380 GPa. Um die Nachfrage nach hochtemperaturbeständigen Tarnmaterialien zu decken, hat die National University of Defense Technology außerdem Forschungen zu absorbierenden Fasern durchgeführt.

In den letzten Jahren haben viele Einheiten mit der Forschung und Produktion von Siliziumkarbidfasern begonnen. Sie haben außerdem eine Pilot-Forschungsplattform für kontinuierliche SiC-Fasern aufgebaut und SiC-Fasern der zweiten Generation mithilfe der Elektronenstrahl-Vernetzungstechnologie entwickelt. Die H2-Reduktionsmethode wurde verwendet, um die Herstellung von Fasern mit nahezu stöchiometrischen Verhältnissen zu untersuchen. Dabei wurde ein Herstellungsverfahren verwendet, das dem der japanischen Hi-Nicalon S-Faser ähnelt. Es wurden Proben kontinuierlicher SiC-Fasern hergestellt. Gleichzeitig wurde ein Verfahren ähnlich dem von Tyranno SA zur Herstellung von Si-Al-C-Fasern verwendet. Vorläufige Untersuchungen.

Aufgrund der sozialen und wirtschaftlichen Vorteile von SiC-Endlosfasern beteiligen sich Unternehmen zunehmend an der Entwicklung von SiC-Endlosfasern und entwickeln Produkte aus SiC-Endlosfasern. Die Produktion von SiC-Endlosfasern der ersten Generation im Tonnenmaßstab ist bereits erreicht.

Mit der beschleunigten Entwicklung der Modernisierung der Landesverteidigung, der Militärmacht und der Waffentechnologie haben sich Hochleistungsfasern in verschiedenen Bereichen rasant entwickelt. Als Vertreter der Hochleistungsfasern hat die Siliziumkarbidfaser mit ihrer hervorragenden Hochtemperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Wellenabsorption große Beachtung gefunden.

Obwohl uns die Technologie jahrzehntelang blockiert hat, haben wir glücklicherweise nie aufgegeben, aufzuholen. Derzeit liegt die Technologie zur Herstellung von Siliziumkarbidfasern in China teilweise auf internationalem Niveau, aber insgesamt besteht immer noch eine gewisse Lücke zwischen China und anderen Ländern, insbesondere bei der industriellen Produktion. Siliziumkarbidfasern sind ein neues strategisches Reservematerial, und China setzt verstärkt auf den Einsatz und die Investitionen. Es wird davon ausgegangen, dass China in naher Zukunft die Kerntechnologie der Siliziumkarbidfasern schrittweise beherrschen und die industrielle Produktion von Siliziumkarbidfasern realisieren wird.