La fibra de carburo de silicio tiene las ventajas de resistencia a la oxidación a alta temperatura, alta dureza, alta resistencia, alta estabilidad térmica, resistencia a la corrosión y baja densidad.
La fibra de carburo de silicio ofrece ventajas como resistencia a la oxidación a altas temperaturas, alta dureza, alta resistencia, alta estabilidad térmica, resistencia a la corrosión y baja densidad. Es uno de los materiales aeroespaciales más idóneos para resistir altas temperaturas, reforzar y ser sigiloso. Además, su pequeña sección transversal de absorción de neutrones le confiere amplias posibilidades de aplicación en los sectores de la aviación, la industria aeroespacial, la energía nuclear y otros.
- 1. Ventajas técnicas de los materiales estructurales de alta temperatura para motores aeronáuticos
Una alta relación empuje-peso es el objetivo que los motores aeroespaciales avanzados persiguen constantemente. A medida que aumenta la relación empuje-peso del motor, la temperatura de entrada a la turbina también lo hace, y el sistema actual de materiales de aleación de alta temperatura se vuelve difícil de satisfacer los requisitos de estos motores. Por ejemplo, la temperatura de entrada a la turbina de los motores actuales con una relación empuje-peso de 10 ha alcanzado los 1500 °C, y la temperatura promedio de entrada a la turbina de los motores con una relación empuje-peso de 12 a 15 superará los 1800 °C, una temperatura muy superior a la temperatura de uso de las aleaciones de alta temperatura y los compuestos intermetálicos. Actualmente, la temperatura de trabajo de los materiales de aleación de alta temperatura a base de níquel con la mejor resistencia térmica solo alcanza unos 1100 °C. La temperatura de funcionamiento del SiCf/SiC puede elevarse hasta los 1650 °C, y se considera el material ideal para componentes estructurales del extremo caliente de los motores aeroespaciales.
En países con aviación desarrollada, como Europa y Estados Unidos, el SiCf/SiC se ha utilizado prácticamente y producido en masa en piezas estáticas de motores aeronáuticos, como los modelos M53-2, M88, M88-2, F100, F119, EJ200, F414, F110, F136 y otros. Motores de aeronaves militares y civiles.
Si bien mi país ha considerado la investigación tecnológica aplicada a los compuestos de matriz cerámica de carburo de silicio (CMC-SiC) como un área clave de desarrollo desde la década de 1980, en enero de 2022, un motor aeroespacial construido por la NPU con un nuevo material compuesto de matriz cerámica nacional, el disco de turbina integral, completó con éxito su primera verificación de prueba de vuelo. Esta es también la primera prueba de vuelo aéreo nacional de una plataforma de ensamblaje de rotor de compuesto de matriz cerámica, lo que marca otro avance importante en la tecnología clave de nuestro motor aeronáutico. Sin embargo, hasta la fecha, el alcance de aplicación y el tiempo acumulado de evaluación del CMC-SiC en mi país son muy limitados, y existe una gran brecha con la investigación de aplicaciones de ingeniería extranjera.
- 2. Los materiales furtivos compiten por armamentos de alta tecnología
Con el rápido desarrollo de la tecnología de radio moderna y los sistemas de detección por radar, la tecnología furtiva, como medio eficaz para mejorar la supervivencia y la capacidad de penetración de los sistemas de armas, especialmente la capacidad de ataque profundo, se ha convertido en un tema candente entre las potencias militares que compiten por armamento de alta tecnología. El uso de tecnología de materiales furtivos es actualmente el método más eficaz y viable para el sigilo por radar. Para los materiales furtivos utilizados en entornos especiales, además de reducir las condiciones básicas como la detectabilidad, también se requiere que los materiales tengan buena estabilidad térmica y resistencia a la corrosión. Por ejemplo, las toberas de cola de los motores, los bordes de las alas y otras piezas de los cazas furtivos de alta velocidad se someterán a la prueba de la oxidación a alta temperatura y a repetidos impactos a altas y bajas temperaturas. El SiCf/SiC no solo posee excelentes propiedades mecánicas, resistencia a la oxidación y una mayor vida útil a altas temperaturas, sino que también posee buenas propiedades de absorción de ondas, lo que cumple con los requisitos de las piezas de armas y equipos sometidos a altas temperaturas, como la superficie de los aviones supersónicos, las toberas de cola de los motores y las narices de los misiles de crucero. Requisitos de sigilo, amplias posibilidades de aplicación.
- 3. Pequeña sección transversal de absorción de neutrones, que muestra un gran poder en el campo de los reactores nucleares.
Con el creciente énfasis en los problemas de seguridad de los reactores, casi todos los elementos de combustión de aleación de circonio utilizados en las centrales nucleares con reactores de agua comerciales actuales han sido reconsiderados, y los nuevos elementos combustibles que utilizan carburo de silicio como materiales de revestimiento o matriz se han convertido en un nuevo foco de investigación. Los elementos combustibles son los componentes centrales de los reactores nucleares, y sus indicadores de rendimiento afectan directamente la seguridad y la economía del reactor. El SiCf posee excelentes propiedades como resistencia a altas temperaturas, alta dureza, buena resistencia al desgaste, buena resistencia al choque térmico, alta conductividad térmica, fuerte resistencia a la oxidación y resistencia a la corrosión química, y su pequeña sección transversal de absorción de neutrones, baja actividad inherente y calor de desintegración lo hacen adecuado para el campo de los reactores nucleares, y tiene buenas perspectivas de aplicación en reactores de agua ligera, reactores de sales fundidas y reactores rápidos refrigerados por gas.
La tecnología avanzada siempre ha sido dominada por Japón y Estados Unidos.
En los últimos 40 años, desde su creación, la fibra de SiC se ha desarrollado rápidamente. Según su composición y estructura, se puede dividir en fibras de primera, segunda y tercera generación. La primera generación es fibra de carburo de silicio con alto contenido de oxígeno y carbono; la segunda generación, fibra de carburo de silicio con bajo contenido de oxígeno y alto contenido de carbono; y la tercera generación, fibra de carburo de silicio con una relación casi estequiométrica. En el proceso de desarrollo de la fibra de SiC, países como Japón y Estados Unidos siempre han tomado la iniciativa en la competencia.
Avance de la primera generación de fibras de SiC
En la década de 1980, nuestro país se dio cuenta de que la fibra de carburo de silicio, como un nuevo material, tenía un valor de aplicación potencial en el campo aeroespacial, por lo que comenzó temprano, planificó con anticipación y organizó especialmente a investigadores científicos relevantes de la Universidad Nacional de Tecnología de Defensa para establecer un grupo de investigación de fibra de SiC.
Después del año 2000, mi país entró en la etapa de investigación de aplicaciones de la primera generación de fibras de SiC y comenzó una ardua investigación y desarrollo industrial de fibras de SiC desarrolladas independientemente.
En 2005, gracias al impulso de la provincia de Jiangsu y el gobierno municipal de Suzhou, se implementó el desarrollo industrial de fibra continua de carburo de silicio resistente a altas temperaturas y se formó un sólido equipo de investigación científica. Gracias al esfuerzo y a la investigación y el desarrollo independientes, se logró la fabricación propia de equipos clave, convirtiéndose en la primera empresa nacional en lograr la producción continua de fibras de carburo de silicio, rompiendo así el prolongado bloqueo técnico y el monopolio de productos de Japón, Estados Unidos y otros países sobre este tipo de materiales de uso militar.
Poniéndonos al día con las fibras continuas de SiC de segunda generación
En los últimos 10 años, el desarrollo de motores aeroespaciales ha planteado demandas claras de fibras de SiC continuas resistentes a altas temperaturas, lo que promovió directamente el desarrollo de tecnología de ingeniería para fibras de SiC de segunda y tercera generación.
En respuesta a las deficiencias del alto contenido de oxígeno de la fibra de SiC de primera generación, que impide que la temperatura ambiente supere los 1050 °C durante su uso a largo plazo, la Universidad Nacional de Tecnología de Defensa inició una investigación tecnológica clave sobre la fibra de SiC de segunda generación. Manteniendo la reactividad del policarbosilano, al optimizar su composición y estructura, hemos logrado avances en la síntesis de policarbosilano de alto punto de reblandecimiento, con buena hilabilidad y tecnología de tratamiento sin oxígeno que no se funde, además de optimizar los procesos de precombustión y cocción final. Hemos dominado la tecnología de preparación de ingeniería de fibra de SiC continua de segunda generación con derechos de propiedad intelectual independientes.
Durante el período del "Duodécimo Plan Quinquenal", se proporcionó un total de más de 600 kilogramos de fibras y tejidos de SiC continuos de segunda generación a AVIC, al Grupo de Ciencia y Tecnología Aeroespacial y a otras unidades de usuarios, lo que inicialmente satisfizo la demanda urgente de fibras de SiC continuos de segunda generación para motores aeroespaciales avanzados y otros.
Hasta ahora, la fibra continua de SiC ha logrado grandes avances en cuanto a tipos de productos, rendimiento y producción, e inicialmente ha superado una serie de medidas de bloqueo extranjeras que imponían un embargo sobre la tecnología de preparación, los equipos de proceso y los productos de fibra continua de SiC.
La espada apunta a la fibra de SiC de tercera generación
Para mejorar aún más el rendimiento a alta temperatura de las fibras de SiC nacionales, la Universidad Nacional de Tecnología de Defensa ha iniciado el desarrollo de fibras de SiC de tercera generación. Estas fibras se componen principalmente de KD-S y KD-SA. La primera se utiliza principalmente en el campo de la energía nuclear avanzada, mientras que la segunda se utiliza principalmente en materiales estructurales de alta temperatura. La fibra KD-S utiliza un método de hidrocalcinación para eliminar el carbono, presenta una composición casi estequiométrica y una resistencia a la tracción superior a 2,5 GPa. La fibra KD-SA utiliza una ruta de preparación similar a la de la fibra Tyranno SA. El precursor, el polialuminocarbosilano, se prepara a partir de policarbosilano de bajo peso molecular y acetilacetonato de aluminio o cloruro de aluminio. La fibra KD-SA ha logrado un gran progreso y presenta una gran resistencia. Con un módulo de tracción superior a 2,2 GPa, alcanza los 380 GPa. Además, para satisfacer la demanda de materiales estructurales furtivos de alta temperatura, la Universidad Nacional de Tecnología de Defensa también ha realizado investigaciones sobre fibras absorbentes.
Las fuerzas de I+D y de industrialización están creciendo gradualmente
En los últimos años, muchas unidades han comenzado a investigar y producir fibras de carburo de silicio. También han construido una plataforma piloto de investigación para fibras continuas de SiC y desarrollado fibras de SiC de segunda generación mediante tecnología de reticulación por irradiación de haz de electrones. El método de reducción de H₂ se empleó para estudiar la preparación de fibras con relaciones casi estequiométricas mediante una ruta de preparación similar a la fibra japonesa Hi-Nicalon S. Se han producido muestras de fibra continua de SiC. Simultáneamente, se empleó una ruta similar a Tyranno SA para preparar fibras de Si-Al-C. Exploración preliminar.
Impulsadas por los beneficios sociales y económicos de las fibras continuas de SiC, las empresas también han comenzado a sumarse al desarrollo de estas fibras y a desarrollar productos de fibra continua de SiC. Actualmente, se ha logrado la producción de fibras continuas de SiC de primera generación a nivel de toneladas.
Con el acelerado desarrollo de la modernización de la defensa nacional, el poder militar y la tecnología armamentística, las fibras de alto rendimiento se han desarrollado rápidamente en diversos campos. Como representante de las fibras de alto rendimiento, la fibra de carburo de silicio ofrece una excelente resistencia a altas temperaturas y a la corrosión, y su capacidad de absorción de ondas ha recibido una amplia atención.
Aunque la tecnología nos ha frenado durante décadas, afortunadamente nunca hemos renunciado a ponernos al día. Actualmente, algunos de los niveles tecnológicos de preparación de fibra de carburo de silicio de mi país se acercan al nivel avanzado internacional, pero en general, aún existe cierta brecha entre mi país y otros países, especialmente en la consecución de la producción industrializada. La fibra de carburo de silicio es un nuevo material de reserva estratégica nacional, y el país está incrementando su implementación e inversión. Se cree que, en un futuro próximo, nuestro país dominará gradualmente la tecnología clave de la fibra de carburo de silicio y alcanzará la producción industrial de fibra de carburo de silicio.
