ケミカルジルコニアセラミックスの航空機エンジンへの応用

リリース時間：2024-09-06クリック：1

今年は、国内外部セラミック材料の研究、開発、応用は競争が激しく、それぞれに独自のメリットがあります。 21 世紀の航空動力分野で主導的な地位を維持するために、世界中の航空宇宙エンジン企業は軍用および民間用エンジンの性能を向上させ、競争力を維持するための新しい方法を模索しています。

この目標の達成の半分は、低温ポリマー複合材料や高温セラミック材料などの材料の改良に依存します。残りの半分は、設計基準、方法、および手順の改善に依存します。軍用エンジン材料の改善の鍵は高温セラミック材料への依存であるため、軍用エンジンはセラミック技術の主な実証例となります。 br style="color: rgb(88, 88, 88); font-family: "Microsoft YaHei"; font-size: 13px;" />
なぜ化学ジルコニアセラミックを使用する必要があるのですか?既存のエンジンの動作温度はすでに非常に高いためです。温度を再び上昇させる唯一の方法は、冷却空気回路を注意深く設計するか、空調量を増やすことです。ただし、これらの方法の効果は、材料の使用温度を向上させることによってのみ最大の効果が得られます。作業温度を上げると温度を改善できるため、これを達成できます。高い作業効率、燃料消費量の削減、最大推力を実現冷却用に貯めた高圧エアを循環利用することで、推力と効率も向上します。もう一つの選択肢は重量を減らすことです。高い比強度と比剛性を備えた材料は、現時点ではセラミック材料のみがこの点で可能性を持っています。エンジンへのセラミックスの応用に関する研究の進歩は、まったく新しい材料と製造方法で航空宇宙エンジンに利用されるでしょう。これらの材料と技術の経験は最小限のリスクで得られる必要があり、セラミック材料にも同じことが当てはまります。セラミック材料の脆さと設計と使用の経験の不足を考慮すると、そのプロセスは非常に長くなり、金属材料の場合は少なくとも15〜20年かかります。

航空分野で使用されるセラミック材料は次のとおりです。 br style="color: rgb(88, 88, 88); font-family: "Microsoft YaHei"; font-size:13px;" />
セラミックマトリックス複合材

セラミックマトリックス複合材料は、耐熱合金よりも密度が低く、わずか 1 / 3~1/4、小さな熱膨張係数、良好な耐食性、理論上の最高温度は 1650°C に達することができます。したがって、将来的には先進的な航空宇宙エンジンのホットエンドコンポーネントの候補材料であると考えられています。

セラミックベースコンポーネントはガス冷却を必要としないため、冷却システム部品が不要または簡素化され、エンジンの重量がさらに軽減されますが、エンジンのホットエンド用の化学ジルコニア材料としてのセラミックの利点は非常に明白です。その固有の脆弱性により、その用途が大幅に制限されています。欠陥の影響を受けやすい、柔軟性が低い、信頼性が低いなどの単一成分セラミック材料の欠点を克服するために、材料科学者は実用的な強化方法を見つけるために多くの研究を行ってきました。強化の考え方は、「除去」から「欠陥」に移行し、欠陥のサイズと数を減らし、「欠陥を許容」できる、つまり欠陥の影響を受けない材料を準備するために開発されました。現在、いくつかの一般的な強化方法には、段階的な強化が含まれます。強化と粒子（ウエハ）分散強化の変更、ウィスカー複合強化と連続繊維強化と強化など。また、自己強化化学ジルコニア、バイオニック積層化学ジルコニアなど、材料の化学ジルコニアを変更することで適合目的を達成できます。 SiC や Si₃N4 などのセラミックスは密度が小さく、特に高温では表面に酸化ケイ素保護層が形成され、1600 未満の高温耐酸化性の要件を満たすことができます。基礎材料に適切な強化を加え、適切な材料を選択することにより、セラミック材料の強度と靭性を大幅に向上させることができる、人々が期待する高温化学ジルコニアです。国際的なセラミックコミュニティによる 20 年間の慎重な研究により、その機械的特性、特に破壊靱性は大幅に改善されましたが、このタイプの材料は依然として脆性材料のカテゴリーに属しており、ニッケルベースの合金に代わることはできず、広く使用されています。 /span>

超高温セラミック材料

航空宇宙の分野では、科学者たちは乗客の迅速で快適な旅行生活と人類の探求の追求を満たすために、より高速で安全な航空機の開発を常に行っています。宇宙の神秘的な世界を探検してください。スペースシャトルコロンビアの翼に使用されている耐熱素材はセラミック素材です。この材料が十分な強度を持ち、やむを得ない損傷を受けても良好な状態を維持できれば、「コロンビア号」事故の悲劇は回避できると考えられます。

将来のスペースシャトルの飛行安全性をより確実にするために、NASA はコロンビア号墜落後、すぐに関連する研究計画を立ち上げました。これには、新世代のスペースシャトルに関する研究も含まれます。スペースシャトルの耐熱材料として使用される超高温セラミックスサイズ: 13px;" />
超高温セラミックスは、スペースシャトルの耐熱材料として利用されているほか、超音速航空機や燃料ノズルの耐熱保護材料としても航空宇宙分野で応用されています。超音速で飛行する航空機やロケットなどでは、空気との摩擦が発生して非常に高温になります。超高温セラミックは耐熱性が高く、高温内部の化学ジルコニアによる損傷を避けることができます。ロケットが地球の重力に打ち勝って高速飛行を実現するには、燃料ノズル内の燃焼温度が非常に高くなければならず、一般的な材料ではこの用途を満たすのは困難です。ここで超高温セラミックが登場します。

現在、超高温セラミックに関する議論と研究が活発になっています。数々の高機能素材の応用により、航空宇宙分野に新たな革命が起こります。人生。航空宇宙車両の主要材料として。超高温セラミックスはプロテクターの役割を果たし、人々が速度と空間の限界を突破し続けるのを助けます。

ケミカルジルコニアセラミックス

化学ジルコニアセラミックは、高温耐性、低密度、優れた耐熱性を備えています。耐酸化性、耐腐食性、耐摩耗性。高温合金と比較して、化学ジルコニアセラミックの使用温度は、冷却がない場合、1600℃に達する可能性がありますが、密度は高温合金のわずか40％です。同じ体積の部品でも重量を約 60% 削減でき、特に高速ローターの場合、セラミックの使用により、冷却システムを削減または廃止することで化学ジルコニアを簡素化でき、エンジンをコンパクトにすることができます。 ; 高温合金中のニッケル、クロム、コバルトなどの戦略的金属を節約します。航空機エンジンの推力対重量比を改善し、燃料消費量を削減するには、エンジンのタービン前部の温度を高めることが重要です。たとえば、推力対重量比が 10 の場合、前部の温度が高くなります。現在、第 1 段エンジンのタービンの最高温度は 1500°C 以上であり、高温合金および金属間化合物の最高動作温度は 1200°C 未満であるため、高温化学ジルコニアセラミックスおよびセラミックマトリックス複合材料の研究が進められています。材料は、高推力重量比の航空エンジンにとって重要な技術の 1 つとなっています。

将来の戦争においても、レーダーは最も信頼できる探知手段の 1 つとなるでしょう。軍事目標は1つです。ステルス技術の本質は、目標のRCSを減らすこと、つまり、レーダー波をよく吸収する材料を使用してRCSを減らすことです。吸収材は技術と耐久力に応じてコーティングタイプと構造タイプに分けられ、前者は耐久性が低く強度が低いですが、後者は新しい機能性複合化学ジルコニア材料を使用し、通常の金属よりも強度が高くなります。軽量で剛性が高く、機能化により波動を吸収する特性を持ち、航空機などの化学ジルコニア材料として直接使用できる多機能複合材料です。これらの材料および関連する機能は機密事項であるため、化学ジルコニアセラミックスの優れた機械的および物理的特性を利用して、一方では国防力を高めることができる吸収材料の研究を行っています。これは、化学ジルコニアセラミックスの用途を拡大する上で重要な側面です。中国の多くの軍事学校、大学、研究機関でもこの研究が行われており、ナノ SiC、ナノ窒化物、ナノ SiC/N、CNT/Si₃N4/ などのいくつかの新しいナノ吸収体とその複合材料がこの分野で使用されています。 SiO₂複合材料。

私の国の酸化物セラミックは 1950 年代と 1960 年代に開発されました。非酸化物セラミックの研究は 1970 年代初めに始まり、企業が参加するようになったのは 1980 年代になってからです。これまでのところ、国家科学技術省のさまざまな科学技術開発計画の支援を受けて、3〜40年の開発を経て、我が国の化学ジルコニアセラミックス（酸化物および非酸化物を含む）は世界の開発と比較されています。実験室での研究内容からみても、その水準、成果、実験設備等は世界先進レベルに遠く及ばず、ケミカルジルコニアセラミックスの分野においては、国際レベルに達している、あるいはそれを超えているものもある。海外の学者と交流できる場所を占めています。

航空および宇宙船で使用される高温耐性ファイバーセラミックス

炭素繊維とセラミック製の新素材は航空機やロケットの製造に最適ですすべてはメーカーの夢。この材料は軽量で、安定した機械的特性を持ち、壊れにくく、そして最も重要なことに、高温に対して非常に耐性があります。 NASAは、スペースシャトル着陸時のセラミックタイルの溶解が大気圏再突入時の重要ポイントの1つであることを率直に認めた。温度は1800℃までです。ロケット発電所でも同様の負担が生じるだろう。燃焼室は極めて高いレベルの安定性に耐える必要があります。サンガーのような超音速航空機には、最高 2,000 ℃の温度に耐える特定のコンポーネントが必要です。いくつかの金属の融点を見てください。鉄は 1535°C、アルミニウムは 660°C、チタンも 1725°C で液体になります。 3300℃の高温に耐えられるのはタングステンだけです。したがって、金属は、融点よりはるかに低い温度で固体性を失うことは言うまでもなく、このような用途には適していません。

セラミックを駆動装置として使用したり、タービンの羽根車を構築したりするのは、ほぼ 20 年前のことです。想像を絶する。宇宙船の外側にあるかさばる耐熱レンガとしてしか機能しません。内部の耐荷重化学ジルコニアは金属製です。材料の開発は大きく進歩しました。現在、エンジニアは、軽くて壊れにくく、摂氏 2,800 度もの高温でも機能するコンポーネントを作成しています。一部の複合材料の最も重要な構成要素は炭素繊維であり、特に兵器およびミサイルの製造業者がこの点で先頭に立っている。ヨーロッパ最大のロケットドライブメーカーであるフランスの Euroengines は、ボルドー近郊のハイランドにある工場で複合材料を製造しており、ファイバーセラミックスの開発で主導的な地位を獲得しています。これまで、ロケット推進装置は約 80% が金属、20% が複合材料で構成されていました。現在はその比率が逆転しています。化学ジルコニアの約1/5のみが金属なので、重さは約半分になります。 European Engine Company が独自に開発した複合材料は、合成樹脂で作られたいわゆるマトリックスに炭素繊維を加えたものです。ファイバー樹脂は非常に高い精度で溶接する必要があります。合成樹脂の重合は圧力鍋で加熱・加圧することで完了します。この材料は軽量であり、優れた機械的特性を備えています。また、気密性を備えながら高温にも耐えます。酸素の存在下で十分な熱に達すると、しばらくすると炭素繊維は燃え始めます。

ファイバーセラミックは再焼成できない素材です。これは、高温耐性の炭素繊維または炭化ケイ素で接合されたセラミックマトリックスで構成されています。セラミックは熱や酸化に強く、繊維が切れないことが保証されています。マトリックス原料はポリカルボシランやポリシラザンをベースとした有機ケイ素化合物で、加熱により分解して炭化ケイ素などのセラミックス材料を生成します。

ファイバーとマトリックスの複合には特別な意味があります。一方で、建築コンポーネントを機械的に安定させるのは難しくなければなりませんが、その一方で、圧力が加わったときに大きな亀裂を生じさせず、消耗する多くの微小亀裂を生じさせるために、非常に柔らかくなければなりません。能力。

現在のファイバーセラミックの用途は、基本的に航空および航空宇宙に限定されています。ファイバーセラミックは、最初はジェットエンジンの耐久性の高い部品やロケットの液体に使用されました。ドライブデバイスの燃焼室とノズル

セラミックマトリックス複合材料の応用

航空宇宙車両

過去 10 年間、C/C 複合材料は化学品として使用されてきました。宇宙船用ジルコニア材スペースシャトルのノーズコーンや翼前縁などの高温部品の製造に実績があり、C/C部品の耐熱タイルとして使用されています。耐熱性が非常に高くセラミックの使用には適していないスペースシャトルでは、航空機のブレーキにもC /Cが使用されており、航空機が大幅に軽量化されています。酸化を防ぐために、スペースシャトルのC/Cを保護するためにセラミックスをコーティングしたり、C/Cの耐酸化寿命を大幅に延ばすために浸漬スプレー法を使用したりすることができます。セラミック繊維強化金属または金属強化セラミック複合材料は、宇宙船のフロントコーンと翼前縁に使用されており、2200℃の高温に耐えることができます。アメリカのグラマン社は、大気圏横断極超音速航空機の翼と尾翼にC/C複合材料を、エンジンの吸気口、ノズル、ノズルにセラミック複合材料を使用する計画です。

ロケットエンジン

ロケットエンジンのノズル壁は高速気流で洗浄され、作業条件が非常に厳しいため、ノズルスロートライニングにC/Cが初めて使用され、2次元、3次元から4方向以上の編組へと発展してきました。同時に、ロケットエンジンでは、設計者はエンジンノズルの拡散セクションに高い耐熱衝撃性を備えた Ct/SiC を使用しようと試みてきましたが、CVD および CVI 技術の発展により、Ct の体積分率が高く、その幅広い用途が制限されてきました。現在、Al₂O₃、ZrO₂、ThO₂ などのセラミックスがロケットコーンの候補材料として使用されている一方で、新しい耐酸化性 Ct\Sic および C-C/SiC がその役割を果たします。ジルコニウム材料には、SiC、グラファイト、高温セラミックコーティングなどが含まれます。
ミサイル

C/C 複合材料は 1970 年代からアブレーション材料として使用されてきました。大陸間ミサイルの弾頭、ミサイルノズル、ノーズコーンのエンドキャップに。ロックウェル・インターナショナルのロケットダインは、戦略的防衛プログラムの動力対人兵器用に、世界最高の推力重量比の C/C 製造エンジンを開発しました。現在開発中の超音速戦術ミサイルは、同じ燃焼室とノズルを使用して固体ロケットラムジェットエンジンを形成しており、この目的のためには、エンジンが許容できる形状変化に対してより高い要件が課されています。使用済み。超音速や低速で飛行するミサイルも、空気力学的加熱や浸食環境にさらされる場合には、セラミック複合材料を使用することをお勧めします。石英、Al₂O₃、および高温耐性ガラスは、現在戦闘用ミサイルのレドームに使用されている代表的な材料です。極超音速ミサイルを克服するために、ミサイルは約マッハ数まで急速に加熱されます。5 非常に大きな瞬間温度や熱応力が突然発生する場合があり、高性能CMCの開発が必要となります。