CMC - Ceramic Matrix Composite - Vật liệu chịu nhiệt và chịu va đập bề mặt.
Tổng quan
Vật
liệu này được coi là một nhóm nhỏ của gốm và vật liệu composite. Vật liệu
composite bao gồm ít nhất hai phần: cốt nền, cung cấp các tính chất cơ học đặc
biệt như độ cứng hoặc cường độ và vật liệu ma trận, giữ mọi thứ lại với nhau.
Quả nghiền máy nghiền đứng sử dụng CMC sau hơn 4000 giờ vận hành.
Trong
trường hỗn hợp ma trận Gốm, có vật liệu gia cố (đôi khi được gọi là sợi chịu
lửa) và vật liệu ma trận là gốm. Trong một số trường hợp, cùng một vật
liệu gốm có thể được sử dụng cho cả ma trận và sợi, và các sợi thứ cấp bổ sung
cũng có thể được đưa vào.
Vật liệu gia cố CMC
Vật
liệu sợi gia cường điển hình bao gồm:
·
Carbon, C
·
Cacbua silic, SiC
·
Alumina, Al2O3
·
Mullite hoặc Alumina Silica, Al2O3-SiO2
Các
sợi có thể có nhiều dạng khác nhau, bao gồm cả sợi liên tục truyền thống cũng
như sợi ngắn, hạt và sợi nano. Những sợi này đều có cấu trúc đa tinh thể
như gốm truyền thống sở hữu. Lý do bạn không thấy sợi thủy tinh, hữu cơ
hoặc kim loại là vì sợi CMC phải duy trì ổn định ở nhiệt độ trên 1.800 ° F.
Các
sợi gia cố chỉ là một phần nhỏ của độ dày sợi tóc - và trong trường hợp sợi
nano, thậm chí còn nhỏ hơn. Chúng thường được dệt thành một vật liệu giống
như vải hoặc băng để đưa vào một phần CMC. Trong một quy trình CMC điển
hình, các sợi được phủ một vật liệu như boron nitride và sau đó được đưa qua bể
bùn ma trận, dẫn đến băng hoặc vải sơ chế.
Phần
lớn các ứng dụng CMC hiện tại sử dụng sợi ngắn, mảnh hoặc cốt sợi liên
tục. Việc sử dụng sợi mảnh và sợi ngắn giúp cải thiện khả năng chống nứt
của CMC và độ dẻo dai tổng thể của nó nhưng có thể dẫn đến lỗi sai. Sợi dài,
hoặc liên tục, gia cố sợi cung cấp sức mạnh tốt hơn so với mảnh hoặc sợi
ngắn. Việc sử dụng sợi dài cũng mang lại độ dẻo dai tốt hơn vì các sợi có
thể giữ CMC lại với nhau ngay cả sau khi ma trận gốm đã bắt đầu bị nứt, làm
chậm đáng kể sự lan truyền vết nứt.
Vật liệu tạo thành CMC
Danh
sách các vật liệu ma trận điển hình trong CMC sẽ giống như các vật liệu sợi
được liệt kê ở trên, cùng với gốm nhiệt độ cực cao chỉ được sử dụng trong
các ứng dụng đặc biệt.
Để
sản xuất, các sợi sẽ được đưa qua bể chứa chất kết dính, dung môi và vật liệu
ma trận được sử dụng (ví dụ, carbon hoặc silicon carbide). Các lớp khác
nhau của sản phẩm được đặt và định hình để tạo thành phần cuối cùng. Trong hầu
hết các trường hợp, phần sau đó trải qua quá trình nhiệt phân để chuyển đổi vật
liệu ma trận thành vật liệu gốm tổng hợp.
Quy cách tên cho CMC.
CMC
thường được đặt tên bởi "sợi / ma trận". Ví dụ, C / SiC sẽ là sợi carbon
trong ma trận cacbua silic. Các CMC được sử dụng phổ biến nhất bao gồm:
·
C / C
·
C / SiC
·
SiC / SiC
·
Al2O3 / Al2O3
Ứng dụng CMC
Có
rất nhiều ứng dụng CMC, như:
·
Bộ trao đổi nhiệt
·
Các cánh tua-bin
·
Van Stator
·
Hệ thống phanh hiệu suất cao
·
Ống đốt
·
Áo giáp chống đạn
·
Yếu tố làm nóng
·
Bộ phận đốt gas- Vòi đốt
·
Thành phần chịu lửa
·
Ép nóng
·
Cánh điều khiển lực đẩy cho động cơ phản lực
·
Cách nhiệt trong các vũ khí vũ khí nhỏ
·
Bộ lọc cho chất lỏng nóng
·
Hệ thống lá chắn nhiệt cho các phương tiện
không gian trong khi thử.
·
Ổn định đầu đốt
·
Thành phần đẩy tên lửa
·
Đầu đốt nhiệt điện
·
Linh kiện động cơ phản lực Turbo
·
Lót đốt cho động cơ tua bin khí
Các
thành phần CMC được sử dụng trong các ngành công nghiệp năng lượng,
quốc phòng, hàng không vũ trụ, điện và điện tử...
Điều gì làm cho CMC khác biệt?
Vật
liệu tổng hợp ma trận gốm hoạt động khác nhiều so với gốm thông thường, và khác
xa so với các hợp kim kim loại hiệu suất cao đã từng được thực hiện. Giống
như gốm sứ, chúng cứng và ổn định ở nhiệt độ cao hơn. Nhưng chúng cũng rất
nhẹ (một phần ba trọng lượng của siêu hợp kim niken mà chúng thường thay thế)
và có độ bền gãy lớn hơn đáng kể và khả năng chống sốc nhiệt.
CMC
có thể giữ được độ bền cơ học tương đối cao ngay cả ở nhiệt độ rất
cao. Chúng cung cấp độ cứng tuyệt vời và độ ổn định rất tốt, cả cơ học,
nhiệt, chiều và hóa học. Độ giãn dài đến vỡ của vật liệu tổng hợp ma trận
gốm có thể lên tới 1% và chúng không dễ bị gãy như các vật liệu gốm truyền
thống. Khả năng chống lan truyền vết nứt của chúng liên quan trực tiếp đến
các sợi gia cường, có thể kéo dài vết nứt trong ma trận và ngăn không cho nó
phát triển.
Khi
trải qua các bài kiểm tra độ bền kéo, biểu hiện của CMC giống như của vật liệu
nhựa do mối quan hệ căng phi tuyến được thể hiện. Hành vi này được gọi là
'quasiplastic' và được gây ra bởi các vết nứt nhỏ hình thành trong ma trận và
sau đó được liên kết bằng các sợi gia cường.
Tuy
nhiên, cường độ nén của CMC kém hơn so với gốm truyền thống, điều này là do độ
xốp của vật liệu ma trận. Về mặt tích cực, chúng có khả năng chống ăn mòn
cao ngay cả ở nhiệt độ cao và có thể xử lý tải trọng động rất tốt.
Vật
liệu tổng hợp ma trận gốm thường là bất đẳng hướng (và đôi khi là đẳng hướng),
với các tính chất mạnh nhất dọc theo chiều dài của sợi. Điều này cho phép
chúng được điều chỉnh theo nhu cầu của một ứng dụng cụ thể. Tuy nhiên, sự
phân tách có thể là một vấn đề và cường độ cắt xen kẽ của chúng có thể tương
đối thấp.
Các
tính năng chính làm cho CMC nổi bật là thực tế là chúng siêu nhẹ, cực kỳ bền và
có thể thực hiện ở nhiệt độ khắc nghiệt. Có những lợi ích gián tiếp cho
việc sử dụng CMC. Bởi vì chúng rất nhẹ, chúng có thể dẫn đến hiệu quả
nhiên liệu tốt hơn nhiều, ít ô nhiễm hơn. Việc chúng có thể
hoạt động ở nhiệt độ cao như vậy có thể làm giảm yêu cầu làm mát trong một số
ứng dụng. Việc giảm yêu cầu làm mát có nghĩa là các bộ phận có thể hoạt
động hiệu quả hơn trong các ứng dụng như động cơ phản lực. Khi được sử
dụng trong các tuabin điện, CMC cũng có thể giảm chi phí điện.
Nhận xét