陶瓷複合合金：耐熱2000℃以上！
-Zr-Ti合金基C/UHTCMC-
東京理科大學
橫濱國立大學
國家材料科學研究所 (NIMS)
開發了一種鋯（Zr）-鈦（Ti）合金基“碳纖維增強超高溫陶瓷複合材料（C/UHTCMC）”。
它可以承受超過 2000°C 的極高溫度。
高超音速飛機表面溫度：
對於速度約為 6200 公里/小時（5 馬赫）的高超音速飛機，
飛機機體的表面溫度據說可達幾千攝氏度。
含矽化合物：
可以承受這種情況的材料
“超高溫陶瓷與碳化矽的複合材料”備受矚目。
然而，
含矽化合物是
“在極端高溫環境下狀態變化和化學變化引起的材料劣化”是一個問題。
新型複合材料
C / UHTCMC
新型無矽材料C/UHTCMC，
它是通過熔融浸漬法合成的，並對其性能進行了詳細研究。
具體來說，生產了“三種具有不同 Zr 和 Ti 含量的 C/UHTCMC”。
3 種類型的 C/UHTCMC：
《新型無矽複合材料C/UHTCMC》
它是通過熔融浸漬法合成的，並對其性能進行了詳細研究。
具體來說，生產了三種具有不同 Zr 和 Ti 含量的 C/UHTCMC。
Zr和Ti的成分比為
“Z20”20:80，
36:64 “Z36”,
是 80:20“Z80”。
這些，
噴嘴間距150mm，熱通量2MW/m2，
噴嘴間距 100mm，4.54MW/m2
噴嘴間距 80mm，6.68MW/m2
電弧風洞試驗在三種不同條件下進行，以評估每種材料的磨損情況。
實驗結果：
隨著Zr含量的增加，測試後材料的厚度增加。
表面形成的氧化物的熔點也升高。
再次，
材料表面產生的液相流向外表面，促進複合材料的氧化。
含有大量Zr的硬質合金是
比具有高 Ti 含量的碳化物，
可以抑制複合材料的劣化。
鈦和鋯氧化物：
評估在材料表面上形成的氧化物。
Ti和Zr的氧化物主要是
《二氧化鈦固溶體》
《ZrTiO4固溶體》
它是一種“ZrO2固溶體”。
發現這些物質“減少了複合材料的進一步氧化”。
尤其是“Z80在超高溫環境下還原少，抗氧化性高”。
我們判斷它最適合耐熱材料。
– EE Times 日本
https://eetimes.itmedia.co.jp/ee/articles/2211/28/news044.html
Alliage composite céramique : Résistance à la chaleur de 2000°C ou plus !
-Alliage Zr-Ti à base C/UHTCMC-
Université des sciences de Tokyo
Université nationale de Yokohama
Institut national des sciences des matériaux (NIMS)
Un “composite céramique ultra-haute température renforcé de fibres de carbone (C/UHTCMC)” à base d’alliage de zirconium (Zr)-titane (Ti) a été développé.
Il peut supporter des températures extrêmement élevées de plus de 2000°C.
Température de surface de l’avion hypersonique :
Dans le cas d’un avion hypersonique d’une vitesse d’environ 6200 km/h (Mach 5),
On dit que la température de surface d’un corps d’avion atteint plusieurs milliers de degrés Celsius.
Composés contenant du silicium :
Des matériaux qui peuvent résister à cela
Les “matériaux composites de céramique ultra-haute température et de carbure de silicium” attirent l’attention.
Cependant,
Les composés contenant du silicium sont
“La détérioration du matériau due au changement d’état et au changement chimique dans un environnement à température extrêmement élevée” est une préoccupation.
Nouveau matériau composite
C/UHTCMC
Nouveau matériau sans silicone C/UHTCMC,
Il a été synthétisé par la méthode d’imprégnation à l’état fondu et ses propriétés ont été étudiées en détail.
Plus précisément, “trois types de C/UHTCMC avec différentes teneurs en Zr et Ti” ont été produits.
3 types de C/UHTCMC :
“Nouveau matériau composite sans silicone C/UHTCMC”
Il a été synthétisé par la méthode d’imprégnation à l’état fondu et ses propriétés ont été étudiées en détail.
Plus précisément, trois types de C/UHTCMC avec différentes teneurs en Zr et Ti ont été produits.
Le rapport de composition de Zr et Ti est
“Z20” à 20h80,
36:64 “Z36”,
Il est 80:20 “Z80”.
ces,
Distance entre les buses 150mm, flux de chaleur 2MW/m2,
Distance entre les buses 100 mm, 4,54 MW/m2
Distance entre les buses 80 mm, 6,68 MW/m2
Des essais en soufflerie à l’arc ont été effectués dans trois conditions différentes pour évaluer l’usure de chaque matériau.
Résultat expérimental :
Lorsque la teneur en Zr augmente, l’épaisseur du matériau augmente après le test.
Le point de fusion des oxydes formés en surface est également augmenté.
encore,
La phase liquide générée à la surface du matériau s’écoule vers la surface externe, favorisant l’oxydation du matériau composite.
Le carbure contenant une grande quantité de Zr est
que les carbures à forte teneur en Ti,
La dégradation des matériaux composites peut être supprimée.
Oxydes Ti et Zr :
L’oxyde formé à la surface du matériau a été évalué.
Les oxydes de Ti et Zr sont principalement
“Solution solide de TiO2”
“Solution solide de ZrTiO4”
C’est une “solution solide de ZrO2”.
Ces substances se sont avérées “réduire davantage l’oxydation du composite”.
En particulier, “le Z80 a moins de réduction dans les environnements à ultra-haute température et a une résistance élevée à l’oxydation”.
Nous avons jugé qu’il convenait le mieux aux matériaux résistants à la chaleur.
– EE Times Japon
Keramische Verbundlegierung: Hitzebeständigkeit von 2000°C oder mehr!
-Zr-Ti-Legierung basierend C/UHTCMC-
Wissenschaftliche Universität Tokio
Nationale Universität Yokohama
Nationales Institut für Materialwissenschaften (NIMS)
Ein auf Zirkonium (Zr)-Titan (Ti)-Legierung basierender “kohlefaserverstärkter Ultrahochtemperatur-Keramik-Verbundwerkstoff (C/UHTCMC)” wurde entwickelt.
Es hält extrem hohen Temperaturen von über 2000°C stand.
Oberflächentemperatur von Hyperschallflugzeugen:
Bei einem Hyperschallflugzeug mit einer Geschwindigkeit von etwa 6200 km/h (Mach 5)
Die Oberflächentemperatur eines Flugzeugkörpers soll mehrere tausend Grad Celsius erreichen.
Siliziumhaltige Verbindungen:
Materialien, die das aushalten
„Verbundwerkstoffe aus Ultrahochtemperatur-Keramik und Siliziumkarbid“ ziehen Aufmerksamkeit auf sich.
Jedoch,
Siliziumhaltige Verbindungen sind
„Materialverschlechterung aufgrund von Zustandsänderung und chemischer Änderung in einer Umgebung mit extrem hoher Temperatur“ ist ein Anliegen.
Neues Verbundmaterial
C/UHTCMC
Neues silikonfreies Material C/UHTCMC,
Es wurde nach dem Schmelzimprägnierungsverfahren synthetisiert und seine Eigenschaften wurden im Detail untersucht.
Insbesondere wurden „drei Arten von C/UHTCMC mit unterschiedlichen Gehalten an Zr und Ti“ hergestellt.
3 Arten von C/UHTCMC:
„Neues siliziumfreies Verbundmaterial C/UHTCMC“
Es wurde nach dem Schmelzimprägnierungsverfahren synthetisiert und seine Eigenschaften wurden im Detail untersucht.
Insbesondere wurden drei Arten von C/UHTCMC mit unterschiedlichen Gehalten an Zr und Ti hergestellt.
Das Zusammensetzungsverhältnis von Zr und Ti ist
“Z20” um 20:80,
36:64 “Z36”,
Es ist 80:20 “Z80”.
diese,
Düsenabstand 150 mm, Wärmestrom 2 MW/m2,
Abstand zwischen den Düsen 100 mm, 4,54 MW/m2
Abstand zwischen den Düsen 80 mm, 6,68 MW/m2
Lichtbogen-Windkanal-Tests wurden unter drei verschiedenen Bedingungen durchgeführt, um die Abnutzung jedes Materials zu bewerten.
Versuchsergebnis:
Wenn der Zr-Gehalt zunimmt, nimmt die Dicke des Materials nach dem Testen zu.
Auch der Schmelzpunkt von an der Oberfläche gebildeten Oxiden wird erhöht.
wieder,
Die auf der Oberfläche des Materials erzeugte flüssige Phase fließt zur äußeren Oberfläche und fördert die Oxidation des Verbundmaterials.
Carbid, das eine große Menge an Zr enthält, ist
als Karbide mit hohem Ti-Gehalt,
Der Abbau von Verbundmaterialien kann unterdrückt werden.
Ti- und Zr-Oxide:
Das auf der Materialoberfläche gebildete Oxid wurde bewertet.
Ti- und Zr-Oxide sind hauptsächlich
“TiO2 feste Lösung”
„Mischkristall ZrTiO4“
Es ist eine “ZrO2 feste Lösung”.
Es wurde festgestellt, dass diese Substanzen “eine weitere Oxidation des Verbundstoffs reduzieren”.
Insbesondere “hat Z80 eine geringere Reduktion in Umgebungen mit ultrahohen Temperaturen und eine hohe Oxidationsbeständigkeit.”
Wir haben festgestellt, dass es am besten für hitzebeständige Materialien geeignet ist.
– EE Times Japan
Characterization of carbon fiber-reinforced ultra-high temperature ceramic matrix composites fabricated via Zr-Ti alloy melt infiltration
– ScienceDirect
Abstract
Carbon fiber-reinforced ultra-high temperature ceramic matrix composites (C/UHTCMCs)
were fabricated via Zr-Ti alloy melt infiltration (Zr-Ti MI) using carbon-carbon composite (C/C) preforms and alloys with three different compositions.
Alloys were successfully infiltrated into C/C to form solid solutions of TiC and ZrC,
with melting temperatures > 2900 °C. Notably, residual alloys were not observed after MI occurred at 1750 °C.
Bending strength and fracture toughness of the C/UHTCMCs at room temperature and 1500 °C in air/Ar
revealed that mechanical properties of the composites were similar to those of the C/C preform.
During arc wind tunnel tests at 2000 °C, a recession of C/UHTCMCs fabricated using Ti-rich alloys was observed;
however, this behavior was not observed for the composites prepared using Zr-rich alloys owing to the formation of a ZrO2 solid solution.
Accordingly, Zr-Ti MI is a viable method for preparing C/UHTCMCs without degrading the mechanical properties of the C/C preform, while increasing the ablation resistance.
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0955221922004915