Serat silikon karbida berkinerja tinggi baru

Serat silikon karbida memiliki keunggulan ketahanan oksidasi suhu tinggi, kekerasan tinggi, kekuatan tinggi, stabilitas termal tinggi, ketahanan korosi, dan kepadatan rendah. Serat ini merupakan salah satu material paling ideal untuk ketahanan suhu tinggi, penguat, dan siluman di bidang kedirgantaraan. Serat ini juga memiliki penampang serapan neutron yang kecil, sehingga memiliki prospek aplikasi yang luas di bidang penerbangan, kedirgantaraan, energi nuklir, dan bidang lainnya.

Rasio dorong-berat yang tinggi merupakan tujuan yang terus dikejar oleh mesin kedirgantaraan canggih. Seiring dengan meningkatnya rasio dorong-berat mesin, suhu masuk turbin terus meningkat, dan sistem material paduan suhu tinggi yang ada sulit untuk memenuhi persyaratan mesin kedirgantaraan canggih. Misalnya, suhu masuk turbin mesin yang ada dengan rasio dorong-berat 10 telah mencapai 1500°C, dan suhu masuk turbin rata-rata mesin dengan rasio dorong-berat 12 hingga 15 akan melebihi 1800°C, yang jauh melampaui suhu penggunaan paduan suhu tinggi dan senyawa intermetalik. Saat ini, suhu kerja material paduan suhu tinggi berbasis nikel dengan ketahanan panas terbaik hanya dapat mencapai sekitar 1100°C. Suhu kerja SiCf/SiC dapat ditingkatkan hingga 1650°C, dan dianggap sebagai material komponen struktural ujung panas yang paling ideal untuk mesin kedirgantaraan.

Di negara-negara maju seperti Eropa dan Amerika Serikat, SiCf/SiC telah digunakan secara praktis dan diproduksi secara massal pada komponen statis mesin pesawat, termasuk M53-2, M88, M88-2, F100, F119, EJ200, F414, F110, F136, dan model lainnya. Mesin pesawat militer/sipil.

Meskipun negara saya telah memasukkan riset teknologi aplikasi komposit matriks keramik silikon karbida (CMC-SiC) sebagai area pengembangan utama sejak tahun 1980-an, pada Januari 2022, mesin kedirgantaraan yang dibangun oleh NPU menggunakan material komposit matriks keramik baru dalam negeri, yaitu cakram turbin integral, berhasil menyelesaikan verifikasi uji terbang perdananya. Ini juga merupakan uji terbang udara domestik pertama untuk platform perakitan rotor komposit matriks keramik, menandai terobosan penting lainnya dalam teknologi kunci mesin kedirgantaraan kami. Namun, sejauh ini, cakupan aplikasi dan waktu penilaian kumulatif CMC-SiC di negara saya sangat terbatas, dan terdapat kesenjangan yang besar dengan riset aplikasi rekayasa di luar negeri.

Dengan pesatnya perkembangan teknologi radio dan sistem deteksi radar modern, teknologi siluman, sebagai cara efektif untuk meningkatkan kemampuan bertahan dan penetrasi sistem persenjataan, terutama kemampuan serangan mendalam, telah menjadi topik hangat di antara kekuatan militer yang bersaing untuk mendapatkan persenjataan berteknologi tinggi. Penggunaan teknologi material siluman saat ini merupakan cara siluman radar yang paling efektif dan layak. Untuk material siluman yang digunakan di lingkungan khusus, selain mengurangi kondisi dasar seperti kemampuan deteksi, material tersebut juga dituntut memiliki stabilitas termal dan ketahanan korosi yang baik. Misalnya, nozel ekor mesin, tepi sayap, dan bagian lain dari pesawat tempur siluman berkecepatan tinggi akan menghadapi uji oksidasi suhu tinggi dan benturan suhu tinggi maupun rendah yang berulang. SiCf/SiC tidak hanya memiliki sifat mekanik yang sangat baik, ketahanan oksidasi, dan masa pakai suhu tinggi yang lebih lama, tetapi juga memiliki sifat penyerap gelombang yang baik, yang memenuhi persyaratan komponen senjata dan peralatan bersuhu tinggi seperti permukaan pesawat supersonik, nozel ekor mesin, dan moncong rudal jelajah. Persyaratan siluman, prospek aplikasi yang luas.

Dengan meningkatnya penekanan pada isu keselamatan reaktor, hampir semua elemen pembakaran paduan zirkonium yang digunakan dalam pembangkit listrik tenaga nuklir reaktor air komersial saat ini telah dipertimbangkan kembali, dan elemen bahan bakar baru yang menggunakan silikon karbida sebagai bahan pelapis atau matriks telah menjadi pusat penelitian baru. Elemen bahan bakar adalah komponen inti reaktor nuklir, dan indikator kinerjanya secara langsung memengaruhi keselamatan dan ekonomi reaktor. SiCf memiliki sifat-sifat yang sangat baik seperti kekuatan suhu tinggi, kekerasan tinggi, ketahanan aus yang baik, ketahanan guncangan termal yang baik, konduktivitas termal yang tinggi, ketahanan oksidasi yang kuat dan ketahanan korosi kimia, dan penampang serapan neutron yang kecil, aktivitas inheren yang rendah dan panas peluruhan membuatnya cocok untuk bidang reaktor nuklir, dan memiliki prospek aplikasi yang baik dalam reaktor air ringan, reaktor garam cair dan reaktor cepat berpendingin gas.

Selama 40 tahun terakhir sejak awal, serat SiC telah berkembang pesat. Berdasarkan komposisi dan struktur seratnya yang beragam, serat ini dapat dibagi menjadi serat generasi pertama, kedua, dan ketiga. Generasi pertama adalah serat silikon karbida dengan kandungan karbon dan oksigen tinggi, generasi kedua adalah serat silikon karbida dengan kandungan karbon dan oksigen rendah, dan generasi ketiga adalah serat silikon karbida dengan rasio mendekati stoikiometris. Dalam proses pengembangan serat SiC, negara-negara seperti Jepang dan Amerika Serikat selalu memimpin dalam persaingan.

Pada tahun 1980-an, negara kami menyadari bahwa serat silikon karbida, sebagai material baru, memiliki nilai aplikasi potensial di bidang kedirgantaraan, sehingga hal itu dimulai sejak dini, direncanakan terlebih dahulu, dan secara khusus mengorganisasi para peneliti ilmiah terkait dari Universitas Teknologi Pertahanan Nasional untuk membentuk kelompok penelitian serat SiC.

Setelah tahun 2000, negara saya memasuki tahap penelitian aplikasi serat SiC generasi pertama dan memulai penelitian yang melelahkan serta pengembangan industri serat SiC yang dikembangkan secara independen.

Pada tahun 2005, dengan dukungan dari Provinsi Jiangsu dan Pemerintah Kota Suzhou, pengembangan industri serat silikon karbida kontinu tahan suhu tinggi diimplementasikan, dan tim peneliti ilmiah yang kuat dibentuk. Melalui kerja keras dan penelitian serta pengembangan independen, peralatan inti utama diproduksi sendiri dan menjadi perusahaan domestik pertama yang mencapai produksi serat silikon karbida kontinu, mematahkan blokade teknis dan monopoli produk yang telah berlangsung lama di Jepang, Amerika Serikat, dan negara-negara lain atas jenis material sensitif militer ini.

Dalam 10 tahun terakhir, pengembangan mesin kedirgantaraan telah mengajukan tuntutan yang jelas untuk serat SiC kontinu yang tahan suhu tinggi, yang secara langsung mendorong pengembangan teknologi rekayasa untuk serat SiC generasi kedua dan ketiga.

Menanggapi kekurangan kandungan oksigen tinggi pada serat SiC generasi pertama, yang mencegah suhu penggunaan jangka panjang di udara melebihi 1050°C, Universitas Teknologi Pertahanan Nasional meluncurkan riset teknologi kunci pada serat SiC generasi kedua. Dengan tetap mempertahankan reaktivitas polikarbosilana, dengan mengoptimalkan komposisi dan struktur polikarbosilana, kami telah mencapai terobosan dalam sintesis polikarbosilana bertitik lembek tinggi dengan kemampuan putar yang baik dan teknologi perlakuan non-leleh bebas oksigen, serta mengoptimalkan proses pra-pembakaran dan pembakaran akhir. Kami telah menguasai teknologi persiapan rekayasa serat SiC kontinu generasi kedua dengan hak kekayaan intelektual independen.

Selama periode "Rencana Lima Tahun Kedua Belas", total lebih dari 600 kilogram serat dan kain SiC kontinu generasi kedua telah dipasok ke AVIC, Aerospace Science and Technology Group, dan unit pengguna lainnya. Serat-serat ini awalnya memenuhi permintaan mendesak serat SiC kontinu generasi kedua untuk mesin kedirgantaraan canggih dan lainnya.

Sejauh ini, serat SiC kontinu telah membuat kemajuan besar dalam jenis produk, kinerja, dan output, dan awalnya berhasil menembus serangkaian tindakan blokade asing yang memberlakukan embargo pada teknologi persiapan, peralatan proses, dan produk serat SiC kontinu.

Untuk lebih meningkatkan kinerja suhu tinggi serat SiC domestik, Universitas Teknologi Pertahanan Nasional telah meluncurkan pengembangan serat SiC generasi ketiga. Serat generasi ketiga yang dikembangkan oleh Universitas Teknologi Pertahanan Nasional terutama mencakup KD-S dan KD-SA. Yang pertama terutama digunakan di bidang energi nuklir canggih, dan yang terakhir terutama digunakan dalam bahan struktural suhu tinggi. Serat KD-S menggunakan metode hidrokalsinasi untuk menghilangkan karbon, memiliki komposisi yang mendekati stoikiometris, dan memiliki kekuatan tarik lebih besar dari 2,5 GPa. Serat KD-SA mengadopsi rute persiapan yang mirip dengan serat Tyranno SA. Prekursor polialuminokarbosilana dibuat dari polikarbosilana dengan berat molekul rendah dan aluminium asetilasetonat atau aluminium klorida. Serat KD-SA telah membuat kemajuan besar dan memiliki kekuatan yang kuat. Lebih besar dari 2,2 GPa, modulus tarik mencapai 380 GPa. Selain itu, untuk memenuhi permintaan bahan struktural siluman suhu tinggi, Universitas Teknologi Pertahanan Nasional juga telah melakukan penelitian tentang serat penyerap.

Dalam beberapa tahun terakhir, banyak unit telah mulai terlibat dalam penelitian dan produksi serat silikon karbida. Mereka juga telah membangun platform peralatan penelitian percontohan untuk serat SiC kontinu dan mengembangkan serat SiC generasi kedua menggunakan teknologi ikatan silang iradiasi berkas elektron. Metode reduksi H2 digunakan untuk mempelajari preparasi serat dengan rasio mendekati stoikiometris menggunakan rute preparasi yang serupa dengan serat Hi-Nicalon S dari Jepang. Sampel serat SiC kontinu telah diproduksi. Pada saat yang sama, rute yang serupa dengan Tyranno SA juga digunakan untuk preparasi serat Si-Al-C. Eksplorasi pendahuluan.

Didorong oleh manfaat sosial dan ekonomi serat SiC kontinu, berbagai perusahaan juga mulai berpartisipasi dalam pengembangan serat SiC kontinu dan mengembangkan produk serat SiC kontinu. Saat ini, produksi serat SiC kontinu generasi pertama pada tingkat ton telah tercapai.

Dengan pesatnya perkembangan modernisasi pertahanan nasional, kekuatan militer, dan teknologi persenjataan, serat berkinerja tinggi telah berkembang pesat di berbagai bidang. Sebagai salah satu contoh serat berkinerja tinggi, serat silikon karbida memiliki ketahanan suhu tinggi dan korosi yang sangat baik, serta penyerapan gelombang yang telah mendapat perhatian luas.

Meskipun kita telah terhambat oleh teknologi selama puluhan tahun, untungnya kita tidak pernah menyerah untuk mengejar ketertinggalan. Saat ini, beberapa tingkat teknologi penyiapan serat silikon karbida di negara saya sudah mendekati tingkat mahir internasional, tetapi secara keseluruhan, masih terdapat kesenjangan tertentu antara negara saya dan negara-negara asing, terutama dalam realisasi produksi industri. Serat silikon karbida merupakan material cadangan strategis nasional yang baru, dan negara ini sedang meningkatkan penerapan dan investasinya. Diyakini bahwa dalam waktu dekat, negara kita akan secara bertahap menguasai teknologi inti serat silikon karbida dan mewujudkan produksi industri serat silikon karbida.