Керамические композиты для двигателей нового поколения
Легче, прочнее, эффективнее
При создании авиационных двигателей нового поколения инженеры решают непростую задачу: нужно снизить вес, уменьшить расход топлива и сократить вредные выбросы. Как этого добиться? Ответ прост и сложен одновременно — легкие и очень стойкие огнеупорные материалы, керамические композиты.
Представьте себе материал, который выдерживает температуры выше 1200°C, при этом он легче металла и прочнее обычной керамики. Звучит фантастически? Но это уже реальность.
На рисунке 1 представлена схема технологического процесса, разработанного NASA для производства композитов Melt Infiltrated Ceramic Matrix Composites.
Технология NASA: от волокна до готового композита
Пошаговое создание композита
Процесс начинается с изготовления ткани из волокон карбида кремния. Торговая марка этих волокон — Sylramic. Из ткани формуется заготовка заданной формы и размеров. Затем заготовка насыщается расплавом карбида кремния и обжигается.
Для изготовления композита могут быть использованы волокна Sylramic или Sylramic с покрытием нитрида бора. Такие композиты выдерживают нагрев до 1200°C. Впечатляет, правда?
Оксид-оксидные материалы
Схожая технология используется при изготовлении композитных оксид-оксидных материалов. Ткань из материала Nextel 720 (содержащего 85% Al₂O₃ и 15% SiO₂) насыщается в расплаве алюмосиликатов.
Композитные материалы имеют слоистую структуру (см. рис. 2).
Преимущества перед монолитной керамикой
По сравнению с монолитными керамическими материалами (например, Si₃N₄) композитная керамика не такая хрупкая и обладает повышенной ударостойкостью (см. рис. 3 и 4).
Гиперзвуковые аппараты: защита при 2700°C
Экстремальные условия полета
Керамические композитные материалы широко используются в конструкции гиперзвуковых летательных аппаратов — орбитального БПЛА X-37, ракеты X-51A WaveRider (см. рис. 5 и 6).
Теперь представьте: при полете на скорости 6-8 Мах температура поверхностей передних кромок плоскостей может достигать 2700°C. А температура в камере сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя со сверхзвуковой камерой сгорания (scramjet) — все 3000°C!
Какой материал выдержит такое? Обычные металлы плавятся. Тут нужны особые решения.
Сэндвич-структуры: прочность без паразитного веса
Многослойная защита
Для обеспечения тепловой защиты и высоких прочностных характеристик конструкции при аэродинамическом нагреве используются многослойные сэндвич-структуры Ceramic Matrix Composite/Foam Core (керамический матричный композит с внутренним слоем пористой керамики).
В чем основное преимущество таких материалов? По сравнению с теплозащитными плитками, используемыми в конструкции Space Shuttle или «Буран», они обладают высокой прочностью, позволяющей встроить теплозащиту в несущую конструкцию.
У «Шаттла» и «Бурана» тепловая защита устанавливалась поверх несущих конструкций и создавала «паразитный вес», так как не несла нагрузки. Это неэффективно.
| Характеристика | Значение | Преимущество |
|---|---|---|
| Плотность | 1,06 г/см³ | Низкий вес при высокой прочности |
| Градиент температур | До 1000°C | Защита внутренних конструкций |
| Структура | Сэндвич-панель | Интеграция в несущую конструкцию |
Технические характеристики
Композитная сэндвич-панель, имеющая плотность порядка 1,06 г/см³, обладает высокой прочностью и жесткостью. Коэффициент теплового расширения керамического композитного материала обшивки и пористого керамического материала сердцевины подобраны таким образом, чтобы обеспечить градиент температур на наружной и внутренней поверхности сэндвич-панели около 1000°C без расслоений и растрескивания.
Это серьезное инженерное достижение.
Материалы для камер сгорания scramjet
Высокотемпературная керамика
В камере сгорания scramjet используются керамические композиты на основе высокотемпературной керамики. Такая керамика, состоящая из диборида циркония и карбида кремния, спекается с помощью электроискровых разрядов высокой частоты — так называемый метод Spark Plasma Sintering.
По сравнению с методом горячего изостатического прессования Spark Plasma Sintering позволяет получить более плотную структуру (см. рис. 7 и 8).
Самовосстанавливающиеся материалы
Кроме этого, для камеры сгорания разрабатываются «самовосстанавливающиеся» абляционные материалы, в которых замещение вещества обеспечивается на микроуровне.
Это так называемые «secondary polymer layered impregnated tile» (SPLIT) — слоистые плиты с пропиткой из вторичного полимера, имеющие неоднородный состав. Термин «вторичный» использован потому, что каждый элемент плиты содержит по крайней мере два полимерных слоя. Вторичная эндотермическая реакция между ними поглощает значительное количество тепла, помогая предотвращать перегрев материала, находящегося за теплозащитной плитой.
Защита от коррозии
Для защиты композитной керамики на основе карбида кремния от реакций с продуктами горения топлива в камере сгорания и парами воды используются нанокомпозитные коррозионно-стойкие покрытия.
Металл-керамические нанокомпозиты
Армированные алюминиевые и магниевые сплавы
В качестве легких конструкционных материалов используются алюминиевые и магниевые сплавы, армированные керамическими наночастицами.
Основная проблема при литье таких сплавов — равномерное распределение керамических наночастиц в объеме отливки. Из-за плохой смачиваемости наночастиц в расплаве они агломерируются и не размешиваются.
Как решить эту проблему? В университете Wisconsin-Madison (США) разработана технология размешивания наночастиц в расплаве с помощью ультразвуковых волн, которые создают микропузыри в расплаве. При схлопывании таких микропузырей образуются микроударные волны. Интенсивные микроударные волны эффективно рассредоточивают наночастицы в объеме расплава металла.
Углеродные нанотрубки в керамике
Улучшение механических свойств
Добавка углеродных нанотрубок и фуллеренов (в том числе нановискеров углерода) в керамическую матрицу улучшает механические свойства керамики — обеспечивает повышение пластичности, снижение хрупкости.
На рис. 9 показаны микрофотографии углеродных нанотрубок в матрице оксида алюминия. Видно развитие микротрещины. Углеродные нанотрубки (CNT), являясь армирующим элементом, препятствуют развитию трещины.
Неорганические фуллереноподобные материалы
Кроме углеродных нанотрубок в качестве армирующих элементов в нанокомпозитной керамике используют неорганические фуллереноподобные материалы — многослойные наносферы или нанотрубки бисульфидов вольфрама, титана, ниобия и молибдена.
Экспериментально подтверждено, что неорганические фуллереноподобные материалы обладают стойкостью к динамическим нагрузкам до 210 тонн/см² (для сравнения: 40 тонн/см² у высокопрочной стали). Это делает их очень перспективным материалом для наполнителей в полимерные или керамические композиты, используемые в качестве легкой брони.
МАКС-фазы: керамика, которую можно пилить
Уникальные многофункциональные свойства
Очень перспективным материалом для применения в различных отраслях промышленности является керамика МАКС-фазы (Mn+1AXn phases) — поликристаллические наноламинированные тройные нитриды, карбиды или бориды переходных металлов.
В зависимости от состава эти материалы могут обладать совершенно уникальными многофункциональными свойствами:
- ✓ Быть прочными, в то же время легко обрабатываться
- ✓ Выдерживать высокие температуры
- ✓ Обладать высокой теплопроводностью
- ✓ Иметь очень низкий коэффициент трения
Образно говоря — это керамика, которую можно резать обычной ножовкой. Представляете?
История открытия
Материалы МАКС-фаз были открыты американским исследователем Prof. M. Barsoum (университет Drexel — США) в 1996 г.
Области применения
| Отрасль | Полезные свойства |
|---|---|
| Энергетика | Высокая электропроводность, способность выдерживать высокие механические нагрузки и температуру |
| Газовые и паровые турбины | Низкий коэффициент трения при высоких температурах |
| Авиация и космонавтика | Комплекс высоких эксплуатационных характеристик |
На рис. 10 представлена микрофотография наноламинантной структуры МАКС-фаз керамики.
Обработка и соединение композитов
Комплексный подход к разработке
Появление новых композитных материалов с улучшенными свойствами накладывает новые требования на разработку технологий и инструмента для их обработки.
За рубежом используется комплексный подход: к участию в проектах по разработке новых материалов привлекаются технологи по обработке металлов и керамики. В частности, в проектах NASA участвуют специалисты Армейской исследовательской лаборатории и Лаборатории ВВС США.
Инструмент для обработки
Например, для сверления отверстий в пластинах и панелях из композитной керамики используют:
- → Инструмент с вставками из поликристаллического алмаза
- → Цельный твердосплавный инструмент с нанокомпозитными многослойными покрытиями
Соединение высокотемпературной керамики
Для соединения деталей, изготовленных из высокотемпературной керамики на основе диборида циркония, используются специальные припои.
В частности, сплавы AgCuTi (торговая марка Cusil-ABA и Ticusil), а также сплавы на основе палладия-кобальта и палладия-никеля (торговая марка Palco и Palni) обеспечивают надежное соединение такой керамики с конструкционными материалами, изготовленными из тугоплавких сплавов молибдена.
Керамические композиты и нанокомпозитные материалы открывают новые горизонты в авиастроении, космонавтике и других высокотехнологичных отраслях. От двигателей нового поколения до гиперзвуковых аппаратов — эти материалы делают возможным то, что еще недавно казалось фантастикой.
А.В. Федотов
Директор по развитию
НПФ «Элан-Практик»
<"
