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美国研发出耐超高温度的碳纤维/SiC复合纤维,先进复合材料耐温超过2000℃

2021年07月16日13:52 【作者:碳纤维及其复合材料技术】     
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美国宇航局的星际探测器(ISP)概念研究由约翰霍普金斯大学应用物理实验室(APL)领导,它将是第一个被派往探索太阳系以外空间的任务,要求比任何其他航天器速度更快、飞的更远。

为了能够以非常高的速度到达非常远的距离,星际探测器可能需要执行“Oberth机动”,这将使探测器靠近太阳摆动,并利用太阳的引力将探测器弹射向深空。为了实现这一目标,研究人员正在开发一种轻质、超高温的材料,用于探测器的太阳防护罩。

作为回应,高温材料开发商Advanced Ceramic Fibers LLC(ACF,美国爱达荷州)最近与APL开展了一个为期7个月的项目,以开发能够承受3500°C(6332°F)高温的潜在材料。该项目于2020年2月至8月进行,ACF的超高温陶瓷基复合材料(CMC)取得了有希望的初步结果。

CMCs通常用于飞机发动机和其他高温应用中,具有重量轻、耐高温特性,经过初步测试,由ACF公司的专有CMC材料制成的试样显示出达到或超过美国NASA温度目标的可能性,并具有蒸汽压力低特点,且同时可保持机械强度要求。

直接纤维转换

ACF公司成立于2012年,已开发并申请了其所谓的直接转化工艺(DCP)专利,该工艺通过将碳纤维丝束经连续工艺,将每根碳纤维长丝的外层转化为金属碳化物如碳化硅(SiC/C)。ACF首席执行官Ken Koller指出,与其他CMC相比,这种工艺的不同之处在于它是一种纤维转化工艺,而不是涂层。

通过ACF的直接转化工艺,制备得到的转化PAN基碳纤维,基体PAN基碳纤维为每根长丝的黑色中心,均匀的白色外层为碳化硅(SiC)

由此产生的纤维束被称为Fi-Bar,之所以这样命名是因为“当它与金属和陶瓷等材料结合时,就像钢筋一样”。结合陶瓷基体和其他专有材料,Fi-Bar是ACF 的CMC材料的基础,专为在极端温度环境中使用而设计。

“我们的CMC可以根据具体应用使用不同的材料进行修改,”Koller介绍,ACF拥有一项美国专利,涵盖了元素周期表中35种金属碳化物。这意味着,理论上,我们可以使用钛、铪、锆等作为金属碳化物,通过直接转化工艺来加工Fi-Bar。

航天用超高温CMCs

ACF对超高温CMC应用的首次重大尝试来自于2016-2021年与美国海军研究办公室(ONR)合作的SBIR第二阶段项目。ACF的任务是开发先进的、纤维增强的CMC,能够承受1371°C(2700°F)的高温。Koller介绍,这种材料是ACF的专利产品QuadXe,将用于制造军用飞机结构的涡轮发动机部件,而军用飞机结构以前的工作温度限制在2500°F左右。

作为ACF与ONR共同开展项目的一部分,五个NASA设计的涡轮发动机叶片进行了高温测试,每个叶片由Fi-Bar增强CMC制成,测试温度高达2900°F,其中一个样品能够达到3120°F,无外部损坏,内部Fi-Bar碳纤维芯保持完好。

他补充说,在隶属于一家未透露姓名的美国涡轮发动机制造商的美国研究中心进行测试后,其中一个测试部件实际能够达到1704°C(3100°F)的工作温度。这一点的意义在于,涡轮发动机运行温度越高,效率就越高,这节省了运行成本,使飞行员能够飞得更快。

与ONR项目相比,星际探测器的概念需要更高的温度——超过 3,000°C 持续数小时——以及更复杂的几何结构。重量轻、结构完整性、机械强度和屏蔽尺寸也是关键考虑因素。钨是一种超高温材料,过去曾被用于隔热罩,对于概念中所列的最初的泡沫填充夹层隔热罩设计来说,钨太重了。

基于ACF对SiC-CMC材料的ONR研究的基础,新的APL研究的重点是ACF的加工技术是否可以扩展到CMC的开发,这种CMC是基于其他几种以超高温性能著称的金属碳化物。ACF的专有工艺生产的金属碳化物CMC样品据说具有非常低的蒸汽压和低密度。

采用火焰测试和真空加热对样品进行测试,这些材料显示出轻质、低蒸气压材料的潜力,扩展了目前碳纤维材料的2000°C(3632°F)上限,并且这些材料在至少2900°C(5252°F)的温度下仍可保持高机械强度,温度甚至可以更高。APL的初步报告总结:第一阶段项目的结果证明了开发具有超高温能力的全新材料的潜力。

标签:复合材料
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